Все новости

Новый алгоритм прольет свет на туннельную ионизацию

С его помощью можно будет рассчитать поведение даже сложных молекул

Ученые из МФТИ и Орхусского университета (Дания) предложили способ предсказания влияния лазера на состояние сложных молекул. С помощью их алгоритма можно рассчитать скорость туннельной ионизации таких молекул, то есть скорость процесса потери электронов. В перспективе подобные решения позволят не только лучше понимать процессы внутри многоатомных молекул, но и управлять им. Соответствующая статья опубликована в The Journal of Chemical Physics.

Две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина — районы расположения двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизируются им в первую очередь.
Описание
Две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина — районы расположения двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизируются им в первую очередь.

Туннельная ионизация молекулы — это процесс высвобождения электрона через потенциальный барьер, который удерживает его в молекуле, находящейся в нормальном состоянии. Такая ионизация — первый шаг для очень широкого спектра химических реакций, объединяемых перемещением электронов и «дырок» (вакантного места, оставленного «беглым» электроном) в молекулах. Ионизация при нагреве или действии внешнего электромагнитного поля может заканчиваться очень по-разному.

Например, если поместить молекулу в поле сильного лазерного излучения, то при ионизации электрон может не только оторваться от молекулы, но и, с определенной вероятностью, вернуться к «родительскому» молекулярному иону (своей же бывшей молекуле, но испытывающей дефицит утерянного электрона). Результатом такого возвращения может быть и перерассеяние (электрон снова уйдет вовне), и рекомбинация электрона (возвращение в молекулу, при котором та нередко испускает фотон света), и диссоциация молекулы (ее распад). Каждый из этих сценариев означает совершенно разный практический результат: при реализации второго вещество может быть люминофором, при осуществлении третьего — важным элементом в цепочке фотокаталитических реакций.

Если научиться понимать, куда именно движется электрон при туннельной ионизации в определенных условиях для определенных молекул, в теории можно не только лучше предсказывать ход и исход химических реакций, но и управлять ими, контролируя превращения той или иной сложной молекулы именно в тот продукт, что нужен в эксперименте или на производстве. Поскольку из сложных молекул состоят живые организмы и полимеры, то предсказание и управление туннельной ионизацией в многоатомных молекулах перспективно и в молекулярной биологии, и в медицине, и в промышленности. Однако для успешного осуществления и того и другого необходимы точные и надежные расчеты скоростей туннельной ионизации.

Скорость туннельной ионизации можно интерпретировать как вероятность вылета электрона из молекулы в определенном направлении. Она зависит от того, как ориентирована молекула по отношению к действующему на нее внешнему электромагнитному полю (к примеру, лазерному излучению). Существующие на сегодняшний день теории связывают скорость туннельной ионизации с поведением электронов вдалеке от ядер атомов, составляющих молекулу. Но современные программы квантовомеханических расчетов до сих пор не могут дать правильного предсказания в отношении состояния электронов в этой удаленной области. Хорошо было бы сделать так, чтобы скорость туннельной ионизации определялась используемой при расчетах теорией только через поведение электронов вблизи ядер атомов. Такое поведение может быть рассчитано существующими методами достаточно точно.

Авторы новой работы использовали в своих расчетах молекулы бензола и нафталина. Для обсчета их поведения ими была разработана программа, способная рассчитывать скорости туннельной ионизации этих молекул в зависимости от их ориентации относительно прикладываемого к молекулам электромагнитного поля (лазерного луча). Исследователи планируют сделать ее общедоступной. Это поможет другим научным группам изучать туннельную ионизацию и пытаться повлиять на химические и биохимические процессы с помощью лазера.

Программа также позволяет оценивать структуру новых соединений — по их реакции на лазерное облучение, а также по спектрам вторичного излучения, получаемого после такого лазерного обстрела. Это позволит экспериментаторам быстро получать по подобным наблюдаемым спектрам структуру исследуемых больших молекул с аттосекундным временным разрешением (аттосекунда — одна миллиардная миллиардной секунды).

 Иван Ортега