Bâtons lumineux, comme ceux brandis par les trick-or-treaters et les fêtards, s'allumer en raison des électrons excités des molécules dans le colorant fluorescent contenu. Les électrons acceptent l'énergie excitante d'une réaction chimique qui se produit lorsqu'un tube intérieur du bâton lumineux est fissuré et que deux fluides entrent en contact. Après avoir excité à un niveau d'énergie plus élevé, ils se détendent à une énergie inférieure en libérant de la lumière qui peut guider les jeunes chasseurs de bonbons en costumes.
La couleur d'un bâton lumineux offre un moyen direct de visualiser l'énergie d'excitation, l'énergie nécessaire pour envoyer un seul électron dans un état excité. Mais ce phénomène joue des rôles fondamentalement importants dans de nombreuses situations, comme charger un téléphone portable, imagerie des cellules par microscopie à fluorescence et photosynthèse chez les plantes. Les chercheurs dans de multiples domaines s'appuient sur la compréhension des énergies d'excitation des matériaux dans leur travail, mais le calcul de leurs valeurs est notoirement difficile et devient incroyablement complexe pour les électrons dans les composés et les polymères plus gros.
Dans une nouvelle étude publiée cette semaine dans le Journal de physique chimique , des chercheurs de l'Université Temple démontrent une nouvelle méthode pour calculer les énergies d'excitation. Ils ont utilisé une nouvelle approche basée sur des méthodes fonctionnelles de densité, qui utilisent une approche atome par atome pour calculer les interactions électroniques. En analysant un ensemble de référence de petites molécules et oligomères, leur fonctionnelle a produit des estimations plus précises de l'énergie d'excitation par rapport à d'autres fonctionnelles de densité couramment utilisées, tout en nécessitant moins de puissance de calcul.
La fonctionnelle de densité a un potentiel d'utilisation étendu en raison de sa précision améliorée et parce qu'il s'agit d'une fonctionnelle non empirique, ce qui signifie qu'il ne s'appuie pas sur les données de conditions spécifiques dans le calcul. Ainsi, il peut être universellement appliqué pour répondre à des questions de chimie, physique et science des matériaux.
"Nous avons essayé de développer une nouvelle méthode qui est bonne non seulement pour l'état du sol (énergie la plus basse), mais aussi pour l'état excité. Nous avons trouvé que parce que cette méthode donne une très bonne estimation de l'énergie d'excitation, il peut en outre être appliqué à l'étude d'autres propriétés dynamiques, " a déclaré Jianmin Tao, professeur assistant de recherche en physique à l'Université Temple. "Cette fonctionnelle peut fournir de nouvelles informations sur l'énergie d'excitation ou les propriétés connexes des molécules et des matériaux."
La fonctionnelle est particulièrement performante en termes de puissance de calcul car elle est semi-locale, et utilise la densité électronique à un point de référence, ainsi que des informations autour du point de référence pour informer le calcul. Comme d'autres fonctionnelles semi-locales, cependant, la nouvelle méthode peut être améliorée dans le calcul des énergies d'excitation pour les oligomères conjugués - composés composés d'unités multiples contenant des liaisons simples et multiples alternées, qui partagent des électrons délocalisés.
Dans les travaux futurs, Tao envisage d'appliquer la fonctionnelle pour étudier les colorants luminescents et fluorescents, qui absorbent et émettent de la lumière de longueurs d'onde particulières mesurables. Ces molécules sont précieuses pour la recherche biomédicale, où ils peuvent être utilisés pour marquer des cellules ou des protéines spécifiques au microscope, ou dans des tests de diagnostic pour détecter des séquences d'ADN particulières. Estimer les énergies d'excitation de ces matériaux complexes, cependant, est une tâche de calcul lourde.
"Les colorants sont généralement gros, oligomères et polymères conjugués, " a expliqué Tao. " Leurs spectres optiques peuvent être affinés par la manipulation du squelette de la molécule, donc cette fonctionnelle devrait être très utile dans la conception de matériaux électroluminescents, en raison de son efficacité de calcul élevée et de sa bonne précision, " dit Tao.
