Le molecole costituite da molti atomi sono strutture complesse. Gli elettroni esterni sono distribuiti tra i diversi orbitali, e la loro forma e occupazione determinano il comportamento chimico e la reattività della molecola. La configurazione di questi orbitali può essere analizzata sperimentalmente. Le sorgenti di sincrotrone come BESSY II forniscono un metodo per questo scopo:Scattering anelastico di raggi X risonante (RIXS). Però, ottenere informazioni sugli orbitali da dati sperimentali, sono necessarie simulazioni chimiche quantistiche. I tempi di calcolo tipici per molecole più grandi richiedono settimane, anche su computer ad alte prestazioni.

Velocizzare la valutazione

"Fino ad ora, questi calcoli sono stati per lo più effettuati successivamente alle misurazioni, " spiega il chimico teorico Dr. Vinicius Vaz da Cruz, postdoc nel team del Prof. Dr. Alexander Föhlisch. Insieme all'esperto RIXS Dr. Sebastian Eckert, anche un postdoc nel team di Föhlisch, hanno sviluppato una nuova procedura sofisticata che velocizza molte volte la valutazione.

"Con il nostro metodo, ci vogliono pochi minuti e non abbiamo bisogno di un super computer per questo, funziona su macchine desktop, " afferma Eckert. Gli scienziati dell'HZB hanno testato il metodo sulla molecola 2-tiopiridone, un sistema modello per il trasferimento di protoni, che sono processi essenziali nelle cellule e negli organismi viventi. Nonostante il breve tempo di calcolo, i risultati sono abbastanza precisi da essere molto utili.

"Questo è un enorme passo avanti, " sottolinea Föhlisch. "Possiamo esaminare molte opzioni in anticipo e conoscere la molecola, per così dire. Inoltre, questo metodo consente anche di simulare molecole molto più complesse e di interpretare in modo significativo i dati ottenuti sperimentalmente." Il fisico sperimentale Eckert aggiunge:"Ora possiamo anche eseguire le simulazioni durante la misurazione e vedere immediatamente dove potrebbe essere particolarmente eccitante per dare un'occhiata più da vicino."

La procedura è un'estensione della teoria del funzionale densità dipendente dal tempo ben consolidata e altamente efficiente, che è molto più veloce dei concetti tradizionali per simulare il processo RIXS. "La semplicità del metodo consente un ampio grado di automatizzazione, " dice Vaz da Cruz:"Può essere usato come una scatola nera".