Supercomputing-simulaties ontdekken elektronen-orbitale handtekeningen

Niemand zal ooit een puur wiskundige constructie zoals een perfecte bol kunnen zien. Maar nu hebben wetenschappers met behulp van supercomputersimulaties en atomaire resolutiemicroscopen de handtekeningen van elektronenorbitalen in beeld gebracht, die worden gedefinieerd door wiskundige vergelijkingen van de kwantummechanica en voorspellen waar het elektron van een atoom het meest waarschijnlijk zal zijn.

Wetenschappers van UT Austin, Princeton University en ExxonMobil hebben direct de handtekeningen waargenomen van elektronenorbitalen in twee verschillende overgangsmetaalatomen, ijzer (Fe) en kobalt (Co) die aanwezig zijn in metaalftalocyanines. Die handtekeningen zijn duidelijk zichtbaar in de krachten gemeten door atoomkrachtmicroscopen, die vaak de onderliggende orbitalen weerspiegelen en zo kunnen worden geïnterpreteerd.

Hun studie werd in maart 2023 gepubliceerd als Editors’ Highlight in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

“Onze medewerkers van Princeton University ontdekten dat ondanks dat Fe en Co aangrenzende atomen zijn op het periodiek systeem, wat gelijkenis impliceert, de overeenkomstige krachtspectra en hun gemeten beelden reproduceerbare experimentele verschillen vertonen”, zei co-auteur James R. Chelikowsky, de WA. “Tex” Moncrief, Jr. voorzitter van Computational Materials en professor in de afdelingen natuurkunde, chemische technologie en scheikunde aan het College of Natural Sciences aan de UT Austin. Chelikowsky is ook directeur van het Center for Computational Materials van het Oden Institute for Computational Engineering and Sciences.

Zonder een theoretische analyse konden de Princeton-wetenschappers de oorzaak van de verschillen die ze ontdekten niet bepalen met behulp van contactloze atoomkrachtmicroscopie met hoge resolutie (HR-AFM) en spectroscopie die krachten op moleculaire schaal in de orde van piconewtons (pN) meet. een biljoenste van een Newton.

“Toen we de experimentele beelden voor het eerst observeerden, was onze eerste reactie verbazing over hoe experimenten zulke subtiele verschillen konden vastleggen. Dit zijn hele kleine krachten”, voegde Chelikowsky eraan toe.

“Door direct de handtekeningen van elektronenorbitalen te observeren met behulp van technieken zoals atoomkrachtmicroscopie, kunnen we een beter begrip krijgen van het gedrag van individuele atomen en moleculen, en mogelijk zelfs hoe we nieuwe materialen met specifieke eigenschappen kunnen ontwerpen en ontwikkelen. Dit is vooral belangrijk op gebieden zoals materiaalkunde, nanotechnologie en katalyse, “zei Chelikowsky.

De vereiste berekeningen van de elektronische structuur zijn gebaseerd op de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), die vertrekt van elementaire kwantummechanische vergelijkingen en dient als een praktische benadering voor het voorspellen van het gedrag van materialen.

“Onze belangrijkste bijdrage is dat we door onze real-space DFT-berekeningen hebben gevalideerd dat de waargenomen experimentele verschillen voornamelijk voortkomen uit de verschillende elektronische configuraties in 3D-elektronen van Fe en Co nabij het Fermi-niveau, de hoogste energietoestand die een elektron in het atoom kan innemen. , “zei studie co-eerste auteur Dingxin Fan, een voormalige afgestudeerde student die met Chelikowsky werkt. Fan is nu een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan het Princeton Materials Institute.

De DFT-berekeningen omvatten het kopersubstraat voor de Fe- en Co-atomen, waarbij een paar honderd atomen aan de mix werden toegevoegd en intensieve berekeningen nodig waren, waarvoor ze een toewijzing kregen op de Stampede2-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center (TACC).

“In termen van ons model hebben we op een bepaalde hoogte de koolmonoxidepunt van de AFM over het monster verplaatst en de kwantumkrachten op elk roosterpunt in de echte ruimte berekend”, zei Fan. “Dit omvat honderden verschillende berekeningen. De ingebouwde softwarepakketten op TACC’s Stampede2 hielpen ons om data-analyse veel gemakkelijker uit te voeren. De Visual Molecular Dynamics-software versnelt bijvoorbeeld een analyse van onze rekenresultaten.”

“Stampede2 heeft uitstekende rekenkracht en opslagcapaciteit geleverd ter ondersteuning van verschillende onderzoeksprojecten die we hebben”, voegde Chelikowsky eraan toe.

Door aan te tonen dat de elektronen-orbitale handtekeningen inderdaad waarneembaar zijn met behulp van AFM, beweren de wetenschappers dat deze nieuwe kennis de toepasbaarheid van AFM naar verschillende gebieden kan uitbreiden.

Wat meer is, hun studie gebruikte een inerte moleculaire sondetip om een ​​ander molecuul te benaderen en nauwkeurig de interacties tussen de twee moleculen te meten. Hierdoor kon het wetenschapsteam specifieke chemische reacties aan het oppervlak bestuderen.

Stel bijvoorbeeld dat een katalysator een bepaalde chemische reactie kan versnellen, maar het is onbekend welke moleculaire plaats verantwoordelijk is voor de katalyse. In dit geval kan een AFM-tip die is bereid met het reagensmolecuul worden gebruikt om de interacties op verschillende locaties te meten, om uiteindelijk de chemisch actieve site of sites te bepalen.

Bovendien kunnen wetenschappers, aangezien informatie op orbitaal niveau kan worden verkregen, een veel dieper inzicht krijgen in wat er zal gebeuren als er een chemische reactie plaatsvindt. Als gevolg hiervan konden andere wetenschappers op basis van deze informatie efficiëntere katalysatoren ontwerpen.

Chelikowsky zei: “Supercomputers stellen ons in veel opzichten in staat om te bepalen hoe atomen op elkaar inwerken zonder het laboratorium in te gaan. Dergelijk werk kan de ontdekking van nieuwe materialen begeleiden zonder een moeizame ’trial and error’-procedure.”