En ny teoretisk utveckling klargör vattnets elektroniska struktur

Vattenmolekyler och elektrondensitet som motsvarar excitontillståndet till följd av fotonabsorption. Kredit: Krystian Tambur (bakgrund)/Alexey Tal (vattenmolekyler)
Vattenmolekyler och elektrondensitet som motsvarar excitontillståndet till följd av fotonabsorption. Kredit: Krystian Tambur (bakgrund)/Alexey Tal (vattenmolekyler)

Det råder ingen tvekan om att vatten är viktigt. Utan det skulle livet aldrig ha uppstått, för att inte tala om dess roll i själva miljön, med oceaner som täcker över 70 % av jorden.

Men trots sin allestädesnärvaro har flytande vatten några elektroniska finesser som länge har förbryllat forskare inom kemi, fysik och teknik. Till exempel har elektronaffiniteten, dvs. den energistabilisering som en fri elektron genomgår när den fångas upp av vatten, förblivit dåligt karakteriserad ur experimentell synvinkel.

Inte ens dagens mest exakta teori för elektronisk struktur har kunnat klargöra bilden, vilket innebär att viktiga fysiska storheter som den energi vid vilken elektroner från externa källor kan injiceras i flytande vatten fortfarande är svårfångade. Dessa egenskaper är avgörande för att förstå hur elektroner beter sig i vatten och kan spela en roll i biologiska system, miljöcykler och tekniska tillämpningar som omvandling av solenergi.

I en nyligen publicerad studie har EPFL-forskarna Alexey Tal, Thomas Bischoff och Alfredo Pasquarello gjort betydande framsteg när det gäller att lösa gåtan. Deras studie, som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences, behandlar vattnets elektroniska struktur med hjälp av beräkningsmetoder som går längre än dagens mest avancerade metoder.

Forskarna studerade vatten med hjälp av en metod som bygger på ”many-body perturbation theory”. Detta är ett komplext matematiskt ramverk som används för att studera interaktionen mellan flera partiklar i ett system, som elektroner i ett fast ämne eller en molekyl, och undersöka hur dessa partiklar påverkar varandras beteende, inte isolerat utan som en del av en större interagerande grupp.

Relativt enkelt uttryckt är störningsteori för många kroppar ett sätt att beräkna och förutsäga egenskaperna hos ett system med många partiklar genom att ta hänsyn till alla de komplexa interaktionerna mellan dess komponenter.

Men fysikerna justerade teorin med ”vertexkorrigeringar”: modifieringar av störningsteorin för många kroppar som tar hänsyn till de komplexa växelverkningarna mellan partiklarna utöver de enklaste approximationerna.

Vertexkorrigeringar förfinar teorin genom att ta hänsyn till hur dessa växelverkningar påverkar partiklarnas energinivåer, t.ex. deras respons på externa fält eller deras egenenergi. Kort sagt leder vertexkorrigeringar till mer exakta förutsägelser av fysiska egenskaper i ett system med många partiklar.

Modellering av vattnets elektroniska egenskaper

Att modellera flytande vatten är särskilt utmanande. En vattenmolekyl innehåller en syreatom och två väteatomer, och både deras termiska rörelse och deras kärnors kvantnatur spelar en nyckelroll. Genom att ta hänsyn till dessa aspekter kunde forskarna exakt bestämma vattnets elektroniska egenskaper, t.ex. dess joniseringspotential, elektronaffinitet och bandgap. Dessa resultat är viktiga för att förstå hur vatten interagerar med ljus och andra ämnen på den elektroniska nivån.

”Vår studie av vattnets energinivåer förenar teori på hög nivå med experiment”, säger Alfredo Pasquarello. Alexey Tal betonar ytterligare vikten av den nya metodiken: ”Tack vare den avancerade beskrivningen av den elektroniska strukturen kunde vi också ta fram ett exakt absorptionsspektrum.”

Resultaten har ytterligare konsekvenser. Den teoretiska utveckling som tillämpas av EPFL-teamet lägger grunden för en ny, allmänt tillämplig standard för att uppnå exakta elektroniska strukturer hos material. Detta ger ett mycket prediktivt verktyg som potentiellt kan revolutionera vår grundläggande förståelse av elektroniska egenskaper inom kondenserad materia, med tillämpningar i sökandet efter materialegenskaper med specifika elektroniska funktionaliteter.

Ytterligare information: Tal, Alexey et al, Absolute energy levels of liquid water from many-body perturbation theory with effective vertex corrections, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2311472121. doi.org/10.1073/pnas.2311472121

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.