Em uma publicação recente em Ciência , pesquisadores da Universidade de Paderborn e do Instituto Fritz Haber de Berlim demonstraram sua capacidade de observar os movimentos dos elétrons durante uma reação química. Os pesquisadores há muito estudam os processos em escala atômica que governam as reações químicas, mas nunca antes foram capazes de observar os movimentos dos elétrons à medida que aconteciam.

Os elétrons existem nas menores escalas, tendo menos de um quatrilionésimo de metro de diâmetro e orbitando um átomo em velocidades de femtossegundo (um quatrilionésimo de segundo). Experimentadores interessados ​​em observar o comportamento do elétron usam pulsos de laser para interagir com os elétrons. Eles podem calcular a energia e o momento dos elétrons analisando as propriedades dos elétrons expelidos da sonda pela luz do laser.

O desafio para os pesquisadores é registrar eventos que estão ocorrendo em uma escala de femtossegundos - eles devem primeiro excitar um sistema com um pulso de laser, em seguida, observe os próximos femtossegundos. Então, eles enviam um segundo pulso de laser com um pequeno retardo de alguns femtossegundos. Alcançar esse nível de resolução é difícil, como femtossegundos são extremamente curtos, a luz pode viajar 300, 000 quilômetros em um segundo, mas apenas 300 nanômetros em um femtossegundo.

Depois de ficar animado com o primeiro pulso de laser, os elétrons de valência dos átomos - elétrons do lado de fora de um átomo que são candidatos a ajudar a formar ligações químicas - podem se reorganizar para formar novas ligações químicas, resultando em novas moléculas. Por causa da velocidade e escala dessas interações, no entanto, os pesquisadores apenas levantaram a hipótese de como esse rearranjo ocorre.

Além de métodos experimentais, computação de alto desempenho (HPC) tornou-se uma ferramenta cada vez mais importante para a compreensão dessas interações de nível atômico, verificar observações experimentais, e estudar o comportamento do elétron durante uma reação química com mais detalhes. Um grupo da Universidade de Paderborn liderado pelo Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt tem colaborado com físicos e químicos para complementar experimentos com modelos computacionais.

Para entender melhor o comportamento dos elétrons durante uma reação química, Schmidt e seus colaboradores têm usado recursos de supercomputação do High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) para modelar esse fenômeno. "O grupo experimental do Instituto Fritz Haber veio até nós sobre esta pesquisa, e já tínhamos feito a simulação, "Schmidt disse." Neste caso, a teoria estava à frente do experimento, como havíamos feito uma previsão e o experimento a confirmou. "

Foco semelhante a laser

Ano passado, O grupo de Schmidt fez parceria com experimentalistas da Universidade de Duisburg-Essen para estimular um sistema em escala atômica e observar as transições de fase fotoinduzidas (PIPTs) em tempo real. Transições de fase - quando uma substância muda de um estado físico para outro, como a água se transformando em gelo - são importantes para estudar e projetar materiais, já que as propriedades de uma substância podem mudar radicalmente, dependendo do estado em que ela se encontra.

Por exemplo, a equipe descobriu que, quando excitada com um pulso de laser, Fios em nanoescala à base de índio mudariam essencialmente de isolante para condutor elétrico. Esses fios de índio, embora não seja necessariamente de interesse tecnológico imediato para aplicativos eletrônicos, servem como um bom caso de teste e uma base sólida para verificar simulações com experimentos.

Este ano, a equipe queria pegar o que havia aprendido sobre os fios de índio anteriormente e estudar as reações químicas em um nível ainda mais fundamental - queria rastrear como os elétrons constituintes se comportam depois de serem excitados por um pulso de laser. "Ano passado, nós publicamos um Natureza artigo que demonstrou a medição do movimento atômico nesta escala, "Schmidt disse." Podemos mostrar como os átomos se movem durante a reação química. Este ano, fomos até mesmo capazes de monitorar os elétrons enquanto a reação ocorria. "

Falando figurativamente, os elétrons funcionam como a cola que une quimicamente os átomos. Contudo, um pulso de laser pode expulsar um elétron, criando o que os pesquisadores chamam de "photohole". Esses furos fotográficos duram apenas vários femtossegundos, mas pode levar à quebra de ligações químicas e à formação de novas ligações. Quando o nanofio de índio é atingido por um pulso de laser, o sistema forma uma ligação metálica, o que explica sua mudança de fase em um condutor elétrico.

Simulações de supercomputação permitem aos pesquisadores colocar os caminhos dos elétrons em movimento, em última análise, ajudando-os a estudar o "caminho" da reação completa. Os pesquisadores executam simulações de primeiros princípios, o que significa que eles começam sem suposições sobre como funciona um sistema atômico, a seguir, modele computacionalmente os átomos e seus elétrons sob as condições experimentais. Esses tipos de intensivos, cálculos de primeiros princípios requerem recursos de supercomputação de ponta, como os fornecidos pelo Gauss Center for Supercomputing no HLRS.

Entre seu trabalho anterior e seu projeto atual, a equipe agora entende melhor o papel importante que os furos fotográficos desempenham na formação de como a energia é distribuída em um sistema, em última análise, dando aos pesquisadores um método computacional confiável para simular transições de fase extremamente rápidas.

Química Complexa

As simulações atuais da equipe consistem em cerca de 1, 000 átomos, que, enquanto pequeno, permite que eles obtenham uma amostra representativa de como os átomos de um sistema e seus elétrons constituintes interagem. O grupo Paderborn obteve ajuda da equipe HLRS na otimização de seu código, permitindo que ele funcione com eficiência em até 10, 000 núcleos em paralelo. Schmidt explicou que, embora a pesquisa geral se beneficie do aumento do tamanho do sistema para a ordem de 10, 000 átomos, a próxima fase do trabalho da equipe é trabalhar em sistemas mais complexos.

"A pesquisa atual é um cálculo complexo, mas um sistema simples, ", disse ele." Nosso próximo passo é desenvolver esta pesquisa no que se refere a fotocatalisadores ou sistemas que são relevantes para a produção de energia em grande escala - queremos aplicar isso a um sistema real. " nível, pesquisadores pretendem projetar melhores materiais para conversão, transportando, e armazenar energia.