В рамках международного сотрудничества физики Томского политехнического университета провели всестороннее исследование молекул силана и его изотопов. Благодаря этому удалось измерить ключевые спектроскопические характеристики соединения – колебательную структуру и параметры внутримолекулярного потенциала – с точностью в десять раз превышающей существующие научные данные. В перспективе это позволит более точно прогнозировать состав атмосферы газовых планет и их спутников, таких как Юпитер, Сатурн и Титан, а также планетарных туманностей, и усовершенствовать методы производства высокочистых полупроводников.
В журнале появились результаты исследования, проведенного учеными Журнал «Количественная спектроскопия и перенос излучения (Q1, IF: 2,3).
Колебательная структура и параметры внутримолекулярной потенциальной функции (ВПФ) являются ключевыми характеристиками молекул, которые используются для решения широкого спектра прикладных задач в области молекулярной физики и химии, спектроскопии, молекулярной динамики, кинетики, планетологии и промышленности. Существуют два подхода к определению этих данных для молекулы. Первый – прямое вычисление параметров с использованием метода «ab initio», основанного на обосновании явления естественными законами природы без привлечения дополнительных эмпирических предположений. Результаты, полученные таким образом, значительно уступают экспериментальным данным. Второй метод – полуэмпирический – предполагает использование высокоточной экспериментальной информации, полученной в инфракрасном и видимом диапазонах. Он демонстрирует большую точность, однако для его реализации до недавнего времени не хватало достаточного объема экспериментальных данных.
Специалисты Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха в сотрудничестве с учеными из Брауншвейгского технического университета (Германия) осуществили ряд экспериментов, связанных с молекулами силана 28SiH₄ и его изотопами: 29SiH₄ и 30SiH₄. Благодаря использованию комплексной методики, включающей в себя современные высокоточные экспериментальные данные и разработанный специально для этих целей аналитический метод, удалось получить спектроскопические данные о силане, которые отличаются от уже существующих в десять раз по степени точности.
«Наше исследование было направлено на изучение трех изотопологoв силана, обладающих высокой степенью симметрии. В настоящее время эти соединения находят применение в анализе атмосферы газовых планет, в производстве полупроводников высокой чистоты и для изучения химических процессов, протекающих в планетарных туманностях. Благодаря нашему исследованию, мы получили детальные сведения о колебательных спектроскопических параметрах изотопологoв, включая гармонические частоты, ангармонические и резонансные параметры, а также параметры тетраэдрических расщеплений. Эти данные позволили нам составить исчерпывающий перечень точных центров для 6375 колебательных полос различной симметрии в диапазоне до 9000 см−1 для трех изотопологoв силана. Таким образом, на сегодняшний день мы предоставили наиболее точное и полное описание колебательной структуры силана», — отмечает руководитель исследования, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Олег Уленеков.
Чтобы получить более детальное представление о колебательной структуре политехи, был использован метод эффективного гамильтона. Это позволило определить энергетические уровни и собственные функции молекул, а также использовать модифицированные полиномиальные формы – математические конструкции, которые позволяют учитывать дополнительные условия при расчетах.).
Использованные в исследовании методы обеспечили возможность аналитического определения симметризированных колебательных функций, которые стали основой для последующих исследований. Ранее это представлялось сложной задачей для молекул с подобной высокой степенью симметрии.