Физики впервые создали модель для предсказания свойств любых молекул
15 Сентября 2020

Группа ученых-физиков под руководством доцента ФФ ТГУ Рашида Валиева создала новую модель для расчета фотофизических характеристик молекул, которая применима для молекул любой природы, в том числе редкоземельных лантаноидов. За счет введения эффекта ангармоничности модель позволяет предсказывать свойства молекул, например, люминисцентность, еще до их синтеза, не проводя эксперименты. Статья о новой модели опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Знание фотофизических и фотохимических свойств молекул необходимо во многих областях физики, химии, биологии. В частности, это используется при разработке OLED-структур для стабильных и ярких дисплеев гаджетов; фотосенсибилизаторов в задачах фотодинамической терапии, где необходимо создать схему для эффективной генерации окислителей-убийц раковых клеток. Расчет времени жизни молекул в возбужденном электронном состоянии необходим в астрофизике и астрохимии, при прогнозировании эффективности и коэффициента полезного действия лазеров на красителях, эффективности переноса заряда и его разделения с целью повышения КПД солнечных батарей и так далее.

Добиться создания универсальной модели, применимой к молекулам любой природы, физикам удалось за счет введения эффекта ангармоничности. В двухатомных и трехатомных молекулах этот эффект вводился и раньше, но в задачах фотофизики и фотохимии рассматриваются большие молекулы с десятками атомов – и здесь корректной математической модели ранее не существовало.

– Мы можем изучать молекулы, которые излучают в инфракрасном, видимом и даже ультрафиолетовом диапазонах, на основе только теоретических вычислений, без привлечения экспериментальной подгоночной информации. А это дает возможность предсказывать свойства молекул еще до их синтеза, что значительно экономичнее, чем синтезировать вслепую, – объясняет Рашид Валиев.

Эффект ангармоничности возникает, когда колебания атомов в молекуле сильные, а энергии – большие. В таком случае колебания атомов уже не будут корректно описываться в гармоническом приближении и необходимо вводить отклонение от него. Включение эффекта ангармоничности особенно важно при вычислении характеристик молекул, которые излучают свет в синем и ультрафиолетовом диапазонах, из-за чего их колебания происходят с большой энергией.

В коллектив ученых, создавших алгоритм, также вошли Виктор Черепанов (ТГУ), Глеб Барышников (ТГУ и Королевский технологический университет, Швеция) и Даге Сундхольм (Университет Хельсинки, Финляндия).

Работы по созданию модели выполнялись в рамках проекта РНФ «Новые электролюминесцентные материалы для создания высокоэффективных органических светодиодов (OLEDs)».