Det råder ingen tvekan om att vatten har betydelse. Utan det skulle livet aldrig ha börjat, än mindre fortsätta idag – för att inte tala om dess roll i själva miljön, med hav som täcker över 70 % av jorden.
Men trots dess förekomst har flytande vatten några elektroniska krångligheter som länge har förbryllat forskare inom kemi, fysik och teknik. Till exempel har elektronaffiniteten, d.v.s. energistabiliseringen som genomgår en fri elektron när den fångas av vatten, förblivit dåligt karakteriserad ur experimentell synvinkel.
Även dagens mest exakta elektroniska strukturteori har inte lyckats klargöra bilden, vilket innebär att viktiga fysiska storheter som energin vid vilken elektroner från externa källor kan injiceras i flytande vatten förblir svårfångade. Dessa egenskaper är avgörande för att förstå elektronernas beteende i vatten och kan spela en roll i biologiska system, miljöcykler och tekniska tillämpningar som solenergiomvandling.
I en nyligen genomförd studie har EPFL-forskarna Alexey Tal, Thomas Bischoff och Alfredo Pasquarello gjort betydande framsteg i att dechiffrera pusslet. Deras studie, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , tar upp vattens elektroniska struktur med hjälp av beräkningsmetoder som går längre än dagens mest avancerade metoder.
Forskarna studerade vatten med hjälp av en metod baserad på "mångakroppsstörningsteorin". Detta är ett komplext matematiskt ramverk som används för att studera växelverkan mellan flera partiklar i ett system, som elektroner i ett fast ämne eller en molekyl, för att utforska hur dessa partiklar påverkar varandras beteende, inte isolerat utan som en del av en större interagerande grupp.
Relativt enkelt uttryckt är teorin om störning av många kroppar ett sätt att beräkna och förutsäga egenskaperna hos ett system med många partiklar genom att ta hänsyn till alla komplexa interaktioner mellan dess komponenter.
Men fysikerna justerade teorin med "vertexkorrigeringar":modifieringar i teorin om många kroppsstörningar som förklarar de komplexa interaktionerna mellan partiklar bortom de enklaste approximationerna.
Vertexkorrigeringar förfinar teorin genom att ta hänsyn till hur dessa interaktioner påverkar partiklars energinivåer, t.ex. deras svar på yttre fält eller deras självenergi. Kort sagt leder vertexkorrigeringar till mer exakta förutsägelser av fysikaliska egenskaper i ett system med många partiklar.
Att modellera flytande vatten är särskilt utmanande. En vattenmolekyl innehåller en syreatom och två väteatomer, och både deras termiska rörelse och kvantnaturen hos deras kärnor spelar en nyckelroll. Med hänsyn till dessa aspekter bestämde forskarna noggrant vattnets elektroniska egenskaper, såsom dess joniseringspotential, elektronaffinitet och bandgap. Dessa fynd är viktiga för att förstå hur vatten interagerar med ljus och andra ämnen på elektronisk nivå.
"Vår studie av vattens energinivåer förenar teori på hög nivå med experiment", säger Alfredo Pasquarello. Alexey Tal betonar vidare vikten av den nya metoden:"Tack vare den avancerade beskrivningen av den elektroniska strukturen kunde vi också producera ett exakt absorptionsspektrum."
Fynden har ytterligare implikationer. Den teoretiska utvecklingen som tillämpas av EPFL-teamet lägger grunden för en ny, universellt tillämplig standard för att uppnå korrekta elektroniska strukturer av material. Detta ger ett mycket prediktivt verktyg som potentiellt skulle kunna revolutionera vår grundläggande förståelse av elektroniska egenskaper inom vetenskapen om kondenserad materia, med tillämpningar i sökandet efter materialegenskaper med specifika elektroniska funktioner.
Mer information: Tal, Alexey et al, Absoluta energinivåer av flytande vatten från många kroppsstörningar med effektiva vertexkorrigeringar, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2311472121. doi.org/10.1073/pnas.2311472121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
