Новые данные о динамике электронов получены в ходе изучения химических процессов

Новости МирТесен

Хотя физики и исследуют процессы, происходящие на атомном уровне и влияющие на химические реакции, ранее не было возможности наблюдать за движением электрона в реальном времени.

В недавно опубликованной статье журнала Nature исследователи из Университета Падерборн и Института имени Фрица Габера в Берлине продемонстрировали способность наблюдать движение электронов во время химической реакции.

Субатомные частицы – электроны – обладают чрезвычайно малыми размерами, их диаметр составляет менее одной квадриллионной доли метра. Они движутся вокруг ядра атома с невероятно высокой скоростью, измеряемой фемтосекундами. поведенияДля изучения поведения электронов применяют лазерные импульсы. Анализируя характеристики частиц, выбитых из них светом, ученые определяют их энергию и момент количества движения.

Основная трудность для специалистов заключается в фиксации процессов, протекающих на временном интервале порядка фемтосекунды: сначала требуется воздействие лазерным импульсом, а затем наблюдение за системой в течение нескольких фемтосекунд. Обеспечить такую точность непросто из-за чрезвычайной краткости фемтосекунды; если бы свет распространялся всего лишь одну фемтосекунду, он преодолел бы расстояние приблизительно в 300 нанометров.

После воздействия лазерным импульсом валентные электроны атома — те, которые находятся находящиеся вне атома и способные помочь в формировании химических связей — могут перестроиться, сформировав новые химические связи, что в дальнейшем помогает в формировании новых молекул. Однако из-за скорости и масштабов этих взаимодействий исследователи ранее могли только строить гипотезы о том, как происходят эти перестройки.

Для детального анализа поведения этих частиц доктор Вольф Геро Шмидт и его научная группа из Университета Падерборн применили возможности суперкомпьютера. Моделирование этого явления было проведено с использованием вычислительных ресурсов Центра высокопроизводительных вычислений, расположенного в Штутгарте.

«Нас обратилась к нам экспериментальная группа из Института имени Фрица Габера для проведения этого исследования, и мы разработали симуляцию», — рассказывает Шмидт. «В данном случае теория предшествовала эксперименту, поскольку мы уже сформулировали прогноз, который был подтвержден в ходе эксперимента».

Текущие симуляции, создаваемые командой, охватывают около тысячи атомов. Даже при таком небольшом масштабе, они предоставляют ученым возможность проведения наблюдений взаимодействияИсследование охватывает взаимодействие атомов и электронов, находящихся внутри них. Специалисты из Падерборна получили поддержку от команды центра для оптимизации программного обеспечения, что обеспечило возможность одновременной обработки данных на десятках тысяч процессорных ядер. По словам Шмидта, несмотря на то, что текущая работа сосредоточена на системах, включающих до 10 тысяч атомов и обещающая ценные результаты, в будущем планируется анализ более крупных и сложных структур.