Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên theo dõi hành vi điện tử trong các phản ứng hóa học (21/01/2019)

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Paderborn và Viện Fritz Haber Berlin-Đức đã chứng minh khả năng quan sát chuyển động của các electron trong một phản ứng hóa học. Những phát hiện trước đây đã nghiên cứu các quá trình quy mô nguyên tử chi phối các phản ứng hóa học, nhưng chưa bao giờ có thể quan sát chuyển động của electron khi chúng xảy ra.

Một mô phỏng của các nguyên tử dây indi (màu đỏ) trên bề mặt chất nền silicon. Các vùng phát sáng làm nổi bật các liên kết indium đã được kích thích và các lỗ quang đã hình thành. Ảnh: Andreas Lücke

Các electron tồn tại trên các thang đo nhỏ nhất, có đường kính nhỏ hơn một phần triệu mét và quay quanh một nguyên tử ở tốc độ femtosecond (1/4 của một giây). Các nhà thực nghiệm quan tâm đến việc quan sát hành vi của electron sử dụng các xung laze để tương tác với electron. Họ có thể tính toán năng lượng và động lượng của electron bằng cách phân tích những tính chất của các electron bị đá ra khỏi đầu dò bằng ánh sáng laze. 

Thách thức đối với các nhà nghiên cứu là ghi lại các sự kiện đang diễn ra trên thang đo femtosecond - trước tiên họ phải kích thích một hệ thống bằng xung laze, sau đó xem vài giây tiếp theo. Sau đó, họ gửi một xung laze thứ hai với độ trễ thời gian ngắn là vài giây. Để đạt được mức độ phân giải này rất khó khăn, vì các giây của giây rất ngắn - ánh sáng có thể đi được 300.000 km trong một giây, nhưng chỉ 300 nanomet trong một giây.

Sau khi bị kích thích với xung laze đầu tiên, electron hóa trị của các nguyên tử - electron ở bên ngoài nguyên tử là nhân tố giúp hình thành liên kết hóa học - có thể sắp xếp lại để tạo liên kết hóa học mới, tạo ra các phân tử mới. Tuy nhiên, do tốc độ và quy mô của những tương tác này, nhóm nghiên cứu chỉ đưa ra giả thuyết về cách sắp xếp lại này diễn ra.

Ngoài các phương pháp thử nghiệm, điện toán hiệu năng cao (HPC) đã trở thành công cụ ngày càng quan trọng để hiểu các tương tác cấp nguyên tử này, xác minh quan sát thử nghiệm và nghiên cứu hành vi điện tử trong một phản ứng hóa học chi tiết hơn. Nhóm nghiên cứu của Đại học Paderborn do Giáo sư Tiến sĩ Wolf Gero Schmidt dẫn đầu đã hợp tác với các nhà vật lý và hóa học để bổ sung cho các thí nghiệm với các mô hình tính toán.

Để hiểu rõ hơn về hành vi của các electron trong phản ứng hóa học, Schmidt và các cộng tác viên đã sử dụng các tài nguyên siêu máy tính tại Trung tâm tính toán hiệu năng cao Stuttgart (HLRS) để mô hình hóa hiện tượng này. ông Schmidt nói. "Trong trường hợp này, lý thuyết đã đi trước thử nghiệm, vì chúng tôi đã đưa ra một dự đoán và thí nghiệm đã xác nhận nó". 

Năm ngoái, nhóm của Schmidt đã hợp tác với các nhà thực nghiệm từ Đại học Duisburg-Essen để kích thích một hệ thống quy mô nguyên tử và quan sát quá trình chuyển pha pha ảnh (PIPT) trong thời gian thực. Sự chuyển pha - khi một chất thay đổi từ trạng thái vật lý này sang trạng thái vật lý khác, chẳng hạn như nước thay đổi thành băng - rất quan trọng trong nghiên cứu và thiết kế vật liệu, vì tính chất của một chất có thể thay đổi dữ dội tùy thuộc vào trạng thái của nó. Ví dụ, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng khi được kích thích bằng xung laze, các dây nano dựa trên indium về cơ bản sẽ thay đổi từ một chất cách điện thành một dây dẫn điện. Các dây indium này, trong khi không nhất thiết phải là mối quan tâm công nghệ ngay lập tức cho các ứng dụng điện tử, đóng vai trò là một trường hợp thử nghiệm tốt và là cơ sở vững chắc để xác minh mô phỏng với thí nghiệm.

Ông Schmidt, cho biết: “Năm nay, nhóm nghiên cứu muốn tìm hiểu những gì đã học về dây indi trước đó và nghiên cứu các phản ứng hóa học ở cấp độ cơ bản hơn - họ muốn theo dõi cách các electron cấu thành hoạt động sau khi bị kích thích bởi xung laser. Năm ngoái, chúng tôi đã có một bài báo chứng minh sự đo lường của chuyển động nguyên tử trên thang đo này. Chúng tôi có thể chỉ ra cách các nguyên tử di chuyển trong phản ứng hóa học. Năm nay, chúng tôi thậm chí có thể theo dõi các electron trong khi phản ứng diễn ra”. 

Nói một cách hình tượng, các electron đóng vai trò là chất keo liên kết hóa học các nguyên tử lại với nhau. Tuy nhiên, một xung laze có thể phóng ra một điện tử, tạo ra thứ mà các nhà nghiên cứu gọi là "lỗ quang". Những lỗ quang này chỉ tồn tại trong vài giây, nhưng có thể dẫn đến phá vỡ liên kết hóa học và hình thành liên kết mới. Khi dây nano indium bị tấn công bằng xung laser, hệ thống tạo thành liên kết kim loại, giải thích sự thay đổi pha của nó thành một dây dẫn điện.

Mô phỏng siêu máy tính cho phép các nhà nghiên cứu đưa các đường đi của electron vào chuyển động, cuối cùng giúp họ nghiên cứu toàn bộ "con đường" phản ứng. Các nhà nghiên cứu chạy các mô phỏng nguyên lý đầu tiên, nghĩa là chúng bắt đầu không có giả định về cách một hệ thống nguyên tử hoạt động, sau đó mô hình hóa các nguyên tử và electron của chúng trong các điều kiện thí nghiệm. Các loại tính toán nguyên tắc đầu tiên, chuyên sâu này đòi hỏi các tài nguyên siêu máy tính hàng đầu, chẳng hạn như các tài nguyên được cung cấp thông qua Trung tâm siêu máy tính Gauss tại HLRS.

Giữa công việc trước đây và dự án hiện tại của mình, nhóm nghiên cứu đã hiểu rõ hơn về vai trò quan trọng của các lỗ quang trong việc định hình cách phân phối năng lượng trên một hệ thống, cuối cùng mang đến cho các nhà nghiên cứu một phương pháp tính toán đáng tin cậy để mô phỏng quá trình chuyển pha cực nhanh.

Các mô phỏng hiện tại của nhóm bao gồm khoảng 1.000 nguyên tử, dù nhỏ, cho phép họ có được một mẫu đại diện về cách các nguyên tử của hệ thống và các electron cấu thành của chúng tương tác với nhau. Nhóm Paderborn đã nhận được sự giúp đỡ từ nhóm HLRS trong việc tối ưu hóa mã của nó, cho phép nó chạy hiệu quả trên 10.000 lõi song song. 

Schmidt giải thích rằng trong khi nghiên cứu tổng thể sẽ được hưởng lợi từ việc tăng kích thước hệ thống lên tới 10.000 nguyên tử, giai đoạn tiếp theo trong công việc của nhóm là làm việc trên các hệ thống phức tạp hơn. Nghiên cứu hiện tại là một tính toán phức tạp, nhưng là một hệ thống đơn giản. Bước tiếp theo của chúng tôi là phát triển nghiên cứu này vì nó liên quan đến các xúc tác quang hoặc hệ thống phù hợp với sản xuất năng lượng quy mô lớn, chúng tôi muốn áp dụng điều này vào một hệ thống thực sự. Bằng cách hiểu rõ hơn về hành vi của các electron ở cấp độ nguyên tử, các nhà nghiên cứu nhằm mục đích thiết kế các vật liệu tốt hơn để chuyển đổi, vận chuyển và lưu trữ năng lượng.

Nguồn: Đ.T.V (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 09/01/2019