Palitos brilhantes, como aqueles brandidos por trapaceiros e foliões, acender devido aos elétrons excitados das moléculas no corante fluorescente contido. Os elétrons aceitam a energia excitante de uma reação química que resulta quando um tubo interno do bastão luminoso se quebra e dois fluidos entram em contato. Depois de excitar para um nível de energia mais alto, eles relaxam com uma energia mais baixa, liberando luz que pode guiar jovens caçadores de doces fantasiados.
A cor de um bastão luminoso oferece uma maneira direta de visualizar a energia de excitação, a energia necessária para enviar um único elétron a um estado excitado. Mas esse fenômeno desempenha papéis fundamentalmente importantes em várias situações, como carregar um telefone celular, células de imagem com microscopia fluorescente e fotossíntese em plantas. Pesquisadores em vários campos contam com a compreensão das energias de excitação dos materiais em seu trabalho, mas calcular seus valores é notoriamente difícil e se torna incrivelmente complexo para elétrons em compostos e polímeros maiores.
Em um novo estudo publicado esta semana no Journal of Chemical Physics , pesquisadores da Temple University demonstram um novo método para calcular as energias de excitação. Eles usaram uma nova abordagem baseada em métodos funcionais de densidade, que usam uma abordagem átomo por átomo para calcular as interações eletrônicas. Ao analisar um conjunto de referência de pequenas moléculas e oligômeros, seus funcionais produziram estimativas mais precisas de energia de excitação em comparação com outros funcionais de densidade comumente usados, enquanto requer menos poder de computação.
O funcional de densidade tem amplo potencial de uso devido à sua precisão aprimorada e por ser um funcional não empírico, o que significa que não se baseia em dados de condições específicas no cálculo. Assim, pode ser aplicado universalmente para tratar de questões em química, física e ciência dos materiais.
"Tentamos desenvolver um novo método que seja bom não apenas para o estado do solo (energia mais baixa), mas também para o estado de excitação. Descobrimos que, porque este método dá uma estimativa muito boa da energia de excitação, pode ser posteriormente aplicado para estudar outras propriedades dinâmicas, "disse Jianmin Tao, professor assistente de pesquisa de física na Temple University. "Este funcional pode fornecer novos insights sobre a energia de excitação ou propriedades relacionadas de moléculas e materiais."
O funcional é especialmente eficiente em termos de poder de computação porque é semi-local, e usa a densidade de elétrons em um ponto de referência, bem como informações em torno do ponto de referência para informar o cálculo. Como outros funcionais semi-locais, Contudo, o novo método tem espaço para melhorias no cálculo de energias de excitação para oligômeros conjugados - compostos compostos de unidades múltiplas contendo ligações alternadas simples e múltiplas, que compartilham elétrons deslocalizados.
Em trabalho futuro, Tao planeja aplicar o funcional para estudar corantes luminescentes e fluorescentes, que absorvem e emitem luz de comprimentos de onda mensuráveis particulares. Essas moléculas são inestimáveis para a pesquisa biomédica, onde eles podem ser usados para marcar células ou proteínas específicas sob o microscópio, ou em testes de diagnóstico para detectar sequências de DNA particulares. Estimando as energias de excitação desses materiais complexos, Contudo, é uma tarefa computacionalmente pesada.
"As tinturas são geralmente grandes, oligômeros e polímeros conjugados, "explicou Tao." Seus espectros ópticos podem ser ajustados pela manipulação do esqueleto da molécula, portanto, este funcional deve ser muito útil no projeto de materiais emissores de luz, devido à sua alta eficiência computacional e boa precisão, "Tao disse.
