Cientistas do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram um novo modelo computacional que abriu o potencial para tornar uma de suas ferramentas de pesquisa mais poderosas ainda mais.

Uma ferramenta particularmente importante no arsenal de um químico é a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR). Um espectrômetro de NMR mede a resposta dos núcleos atômicos à excitação com ondas de radiofrequência. Isso pode fornecer aos pesquisadores informações de nível atômico sobre o físico, químico, e propriedades eletrônicas dos materiais, incluindo aqueles que não são cristalinos. Polarização Nuclear Dinâmica (DNP) NMR é uma versão "ultra" de NMR, que excita elétrons desemparelhados em radicais e transfere sua alta polarização de spin para os núcleos da amostra sendo analisada, resultando em mais rápido, dados mais detalhados. O Laboratório Ames desenvolveu DNP-NMR para sondar assinaturas químicas muito fracas, mas importantes, e reduzir o tempo experimental de dias para minutos.

Os métodos computacionais desempenham um papel importante na compreensão dos especialistas de DNP-NMR, especialmente para melhorar o projeto e a execução de experimentos que o utilizam. Até agora, Contudo, o trabalho foi limitado em escopo, e as melhorias nas técnicas de DNP-NMR tendem a depender de algum grau de "serendipidade, "de acordo com Fred Perras, um Cientista Associado no Laboratório Ames e um ganhador de 2020 do DOE Office of Science Early Career Research Award.

"Simular DNP é um problema complexo, "disse Perras, que pesquisa maneiras de melhorar as técnicas de RMN em busca da ênfase do Ames Laboratory na descoberta de materiais. "Essa complexidade vem do fato de que você tem um número muito grande de spins que participam do processo. Para reproduzir melhorias experimentais e prever o que vai acontecer em um experimento hipotético, você realmente precisa ser capaz de realizar essas simulações na mesma escala que fez em seu experimento. "

Normalmente, esses cálculos escalariam exponencialmente com o número de giros no sistema. Em simulações típicas de dinâmica de spin, que é limitado a aproximadamente 5-12 giros; os computadores não têm memória para lidar com nada maior.

Os pesquisadores simplificaram a simulação, excluindo desnecessários, e caro, termos de acordo com Perras, para que os cálculos pudessem ser escalonados linearmente em vez de exponencialmente. A nova estratégia permite simulações em escala real de sistemas de spin com milhares de núcleos.

As simulações já encontraram uma característica estrutural desconhecida que permite mais melhorias de sinal em DNP-NMR, e a teoria terá ampla aplicação em uma ampla variedade de investigações químicas de sólidos no futuro.

A pesquisa é discutida mais detalhadamente no artigo, "Simulação Ab Initio em escala real de Polarização Nuclear Dinâmica de Giro de Ângulo Mágico, "publicado no Journal of Physical Chemistry Letters .