Новаторське дослідження розкриває електронні секрети води

Дослідники з EPFL досягли значного прориву в розумінні електронних властивостей води, фундаментального компонента життя та навколишнього середовища. Немає сумніву, що вода має велике значення. Без нього життя ніколи б не виникло, не кажучи вже про те, щоб продовжилося сьогодні, не кажучи вже про його роль у навколишньому середовищі, оскільки океани покривають понад 70% Землі.

Але, незважаючи на свою повсюдність, рідка вода має деякі електронні тонкощі, які довгий час спантеличили вчених у галузі хімії, фізики та технології. Наприклад, спорідненість до електрона, тобто стабілізація енергії, яку зазнає вільний електрон при захопленні водою, залишається погано охарактеризованою з експериментальної точки зору.

Розгадка електронних таємниць води

Навіть найточніша сучасна теорія електронної структури не змогла прояснити картину, а це означає, що важливі фізичні величини, такі як енергія, з якою електрони із зовнішніх джерел можуть бути введені в рідку воду, залишаються невловимими. Ці властивості мають вирішальне значення для розуміння поведінки електронів у воді та можуть відігравати роль у біологічних системах, екологічних циклах і технологічних застосуваннях, таких як перетворення сонячної енергії.

У недавньому дослідженні дослідники EPFL Олексій Таль, Томас Бішофф і Альфредо Паскарелло досягли значних успіхів у розшифровці головоломки. Їхнє дослідження, опубліковане в PNAS , розглядає електронну структуру води за допомогою обчислювальних методів, які виходять за рамки сучасних найсучасніших підходів.

Передові теоретичні підходи

Дослідники вивчали воду за допомогою методу, заснованого на «теорії збурень багатьох тіл». Це складна математична система, яка використовується для вивчення взаємодії багатьох частинок у системі, наприклад електронів у твердому тілі чи молекулі, досліджуючи, як ці частинки впливають на поведінку одна одної, не ізольовано, а як частина більшої взаємодіючої групи. Відносно простіше кажучи, багатотільна теорія збурень — це спосіб обчислити та передбачити властивості багаточастинкової системи, беручи до уваги всі складні взаємодії між її компонентами.

Але фізики підкоригували теорію за допомогою «вершинні корекції»: модифікації теорії збурень багатьох тіл, які враховують складні взаємодії між частинками за межами найпростіших наближень. Вершинні поправки уточнюють теорію, враховуючи, як ці взаємодії впливають на рівні енергії частинок, наприклад, на їхню реакцію на зовнішні поля чи власну енергію. Коротше кажучи, вершинні поправки призводять до більш точних передбачень фізичних властивостей багаточастинкової системи.

Моделювання електронних властивостей води

Моделювання рідкої води є особливо складним. Молекула води містить один атом кисню та два атоми водню, і як їх тепловий рух, так і квантова природа їхніх ядер відіграють ключову роль. Враховуючи ці аспекти, дослідники точно визначили електронні властивості води, такі як її потенціал іонізації, спорідненість до електронів і ширину забороненої зони. Ці висновки важливі для розуміння того, як вода взаємодіє зі світлом та іншими речовинами на електронному рівні.

«Наше дослідження рівня енергії води поєднує теорію високого рівня з експериментом», — каже Альфредо Паскуарелло. Далі Олексій Таль підкреслює важливість нової методології: «Завдяки розширеному опису електронної структури ми також змогли отримати точний спектр поглинання».

Нова парадигма матеріалознавства

Висновки мають додаткові наслідки. Теоретичні розробки, застосовані командою EPFL, закладають основу для нового універсального стандарту для досягнення точної електронної структури матеріалів. Це надає високопрогнозний інструмент, який потенційно міг би революціонізувати наше фундаментальне розуміння електронних властивостей у науці про конденсовані середовища із застосуванням у пошуку властивостей матеріалів із певними електронними функціями.