Pesquisadores relatam um método mais simples para visualização orbital molecular precisa
Para o avanço da tomografia orbital de fotoemissão (POT), os pesquisadores propuseram um método "PhaseLift POT" simples, de baixo custo e robusto, que permite uma reconstrução 3D de orbitais moleculares 3D a partir de uma única execução experimental, além de aumentar a precisão e o ruído resiliência do POT convencional. Crédito:Kaori Niki da Universidade de Chiba, Japão As descobertas e os progressos na ciência dos materiais estabelecem frequentemente as bases para avanços tecnológicos que remodelam muitos campos industriais e comerciais, incluindo a medicina, a electrónica de consumo e a geração de energia, para citar alguns.
No entanto, o desenvolvimento de técnicas experimentais sustenta de forma crucial a exploração de novos materiais, abrindo caminho para descobertas inovadoras. Essas técnicas permitem que os cientistas se aprofundem nas propriedades químicas e físicas de um material, revelando insights essenciais para a realização de suas aplicações potenciais.
Em um estudo recente publicado no Journal of Physical Chemistry A , uma equipe de pesquisa liderada pelo professor associado Kaori Niki da Universidade de Chiba, no Japão, relatou uma nova metodologia para visualizar experimentalmente orbitais moleculares (MOs) – a distribuição e o estado dos elétrons em uma determinada molécula.
Seu último artigo, submetido em 29 de setembro de 2023 e publicado online em 26 de março de 2024, foi coautor de Rena Asano e Prof. Manabu Hagiwara da Universidade de Chiba, Prof. . Kazushi Mimura da Universidade da Cidade de Hiroshima.
O método proposto está centrado na tomografia orbital de fotoemissão (POT). Esta técnica consiste em medir a distribuição e o momento dos elétrons liberados ao redor de um material após a absorção de energia da luz incidente. Ao mapear essas variáveis, pode-se então calcular teoricamente os MOs do material.
Apesar de promissor, o POT tradicional enfrenta diversos desafios que limitam bastante a sua aplicabilidade. Primeiro, são necessárias múltiplas rodadas de medições POT para sondar o material em diferentes energias de fótons e reconstruir MOs tridimensionais. Isso leva tempo e requer protocolos experimentais complexos.
Em segundo lugar, para explicar adequadamente as diferenças na orientação molecular e nas deformações de um determinado material, é necessário combinar o POT com outras técnicas analíticas, o que é bastante caro e tedioso. Terceiro, as técnicas POT tradicionais são sensíveis ao ruído nos dados medidos, o que dificulta a observação de pequenos MOs.
Para resolver todas essas limitações, a equipe do Prof. Niki desenvolveu uma nova técnica POT baseada em uma ferramenta de análise matemática chamada algoritmo PhaseLift. Este algoritmo foi projetado para resolver um problema fundamental no processamento de sinais e imagens:reconstruir um sinal ou imagem a partir de medições incompletas ou indiretas.
Usando o PhaseLift, os pesquisadores simplificaram os mapas de momento fotoelétron (PMMs) obtidos por meio do POT em uma forma mais gerenciável, o que por sua vez lhes permitiu calcular com mais facilidade e precisão os MOs desejados.
Uma das principais vantagens da abordagem proposta é que MOs precisos podem ser obtidos a partir de um único conjunto de medições de PMM. Além disso, é muito melhor no tratamento de dados ruidosos. Isto se deve, em parte, ao uso inteligente de técnicas baseadas na esparsidade, que limita o espaço onde as soluções para MOs são consideradas apenas os orbitais moleculares mais relevantes.
Tanto as análises teóricas como os testes experimentais confirmaram a validade deste método inovador, mostrando o seu potencial. “Esta pesquisa foi uma colaboração entre matemáticos, teóricos da informação e cientistas físicos e incluiu especificamente experimentalistas e teóricos”, explica o Prof.
"Aproveitando sua experiência, alcançamos uma pesquisa de fusão interdisciplinar bem-sucedida. Essa abordagem colaborativa nos permitiu superar desafios anteriores e fornecer um método POT que promete acessibilidade e aplicabilidade mais amplas", acrescentou ela.
Usando a técnica proposta, os cientistas serão capazes de visualizar mais facilmente os estados eletrônicos das moléculas em materiais de película fina. Por sua vez, isto ajudará a compreender melhor a origem de quaisquer propriedades físicas relevantes, levando a novos designs de materiais inteligentes e a mais inovações na ciência aplicada.
“Nosso método desenvolvido representa um avanço na visualização dos estados eletrônicos de materiais que antes eram difíceis de observar”, afirma o Prof.
Reconhecendo o imenso potencial que o POT baseado em PhaesLift oferece, o Prof. Niki e a equipe esperam se tornar pioneiros neste campo de pesquisa emergente. “Antecipando a disseminação global do PMM, espero que possamos estabelecer um centro especializado em análise de PMM à frente do resto do mundo”, diz ela.
"Esperamos que este instituto central se torne um centro de inovação, impulsionando o desenvolvimento de numerosos novos materiais que apoiarão a economia japonesa durante o próximo meio século."
