Glödstift, som de som viftas av trick-or-treaters och festdeltagare, lyser upp på grund av exciterade elektroner från molekylerna i det fluorescerande färgämnet. Elektroner tar emot den spännande energin från en kemisk reaktion som uppstår när ett innerrör i glödstiftet spräcks och två vätskor kommer i kontakt. Efter spännande till en högre energinivå, de slappnar av tillbaka till en lägre energi genom att släppa ljus som kan vägleda unga godisjägare i kostymer.
En glödstifts färg erbjuder ett direkt sätt att visualisera excitationsenergi, energin som krävs för att skicka en enstaka elektron till ett exciterat tillstånd. Men detta fenomen spelar fundamentalt viktiga roller i många situationer, som att ladda en mobiltelefon, avbilda celler med fluorescerande mikroskopi och fotosyntes i växter. Forskare inom flera områden förlitar sig på att förstå excitationsenergier för material i sitt arbete, men att beräkna deras värden är notoriskt svårt och blir otroligt komplicerat för elektroner i större föreningar och polymerer.
I en ny studie som visas denna vecka i Journal of Chemical Physics , forskare vid Temple University visar en ny metod för att beräkna excitationsenergier. De använde ett nytt tillvägagångssätt baserat på densitetsfunktionella metoder, som använder en atom-för-atom-metod för att beräkna elektroniska interaktioner. Genom att analysera en riktmärkesuppsättning av små molekyler och oligomerer, deras funktionella producerade mer exakta uppskattningar av excitationsenergi jämfört med andra vanliga densitetsfunktioner, samtidigt som det kräver mindre datorkraft.
Densitetsfunktionen har en utbredd potential för användning på grund av dess förbättrade noggrannhet och eftersom den är en icke-empirisk funktion, vilket innebär att den inte förlitar sig på data från specifika förhållanden i beräkningen. Således, det kan användas universellt för att ta upp frågor inom kemi, fysik och materialvetenskap.
"Vi försökte utveckla en ny metod som inte bara är bra för marktillståndet (lägsta energi), men också för det upphetsade tillståndet. Vi fann att eftersom denna metod ger en mycket bra uppskattning av excitationsenergi, det kan användas ytterligare för att studera andra dynamiska egenskaper, sa Jianmin Tao, forskarassistent i fysik vid Temple University. "Denna funktion kan ge nya insikter om excitationsenergi eller relaterade egenskaper hos molekyler och material."
Funktionen är särskilt effektiv när det gäller datorkraft eftersom den är semi-lokal, och använder elektrondensiteten vid en referenspunkt, samt information kring referenspunkten för att informera om beräkningen. Liksom andra semi-lokala funktioner, dock, den nya metoden har utrymme för förbättring vid beräkning av excitationsenergier för konjugerade oligomerer - föreningar som består av flera enheter som innehåller alternerande enkel- och multipelbindningar, som delar delokaliserade elektroner.
I framtida arbete, Tao planerar att tillämpa den funktionella för att studera självlysande och fluorescerande färgämnen, som absorberar och avger ljus med speciella mätbara våglängder. Dessa molekyler är ovärderliga för biomedicinsk forskning, där de kan användas för att märka specifika celler eller proteiner under mikroskopet, eller i diagnostiska tester för att detektera särskilda DNA-sekvenser. Uppskattning av excitationsenergierna för dessa komplexa material, dock, är en beräkningstung uppgift.
"Färgämnen är vanligtvis stora, konjugerade oligomerer och polymerer, " förklarade Tao. "Deras optiska spektra kan finjusteras genom manipulation av molekylens skelett, så denna funktion borde vara mycket användbar vid design av ljusemitterande material, på grund av dess höga beräkningseffektivitet och goda noggrannhet, " sa Tao.
