Wetenschap
Onderzoekers rapporteren een eenvoudigere methode voor nauwkeurige moleculaire orbitale visualisatie
Ontdekkingen en vooruitgang in de materiaalkunde leggen vaak de basis voor technologische doorbraken die veel industriële en commerciële gebieden een nieuwe vorm geven, waaronder de geneeskunde, consumentenelektronica en energieopwekking, om er maar een paar te noemen.
Toch vormt de ontwikkeling van experimentele technieken een cruciale basis voor de verkenning van nieuwe materialen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor baanbrekende ontdekkingen. Met deze technieken kunnen wetenschappers zich verdiepen in de chemische en fysische eigenschappen van een materiaal, waardoor inzichten worden ontsloten die essentieel zijn voor het realiseren van hun potentiële toepassingen.
In een recente studie gepubliceerd in het Journal of Physical Chemistry A rapporteerde een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Kaori Niki van de Chiba Universiteit in Japan een nieuwe methodologie om moleculaire orbitalen (MO's) experimenteel te visualiseren:de verdeling en toestand van elektronen in een bepaald molecuul.
Hun laatste artikel, ingediend op 29 september 2023 en online gepubliceerd op 26 maart 2024, was co-auteur van Rena Asano en prof. Manabu Hagiwara van de Chiba Universiteit, prof. Yoichi Yamada van de Universiteit van Tsukuba en prof. . Kazushi Mimura van de stadsuniversiteit van Hiroshima.
De voorgestelde methode is gecentreerd rond foto-emissie orbitale tomografie (POT). Deze techniek bestaat uit het meten van de verdeling en het momentum van elektronen die vrijkomen rond een materiaal na het absorberen van energie uit binnenkomend licht. Door deze variabelen in kaart te brengen, kan men vervolgens theoretisch de MO's van het materiaal berekenen.
Ondanks dat het veelbelovend is, wordt traditionele POT geconfronteerd met verschillende uitdagingen die de toepasbaarheid ervan sterk beperken. Ten eerste zijn er meerdere rondes van POT-metingen nodig om het materiaal bij verschillende fotonenergieën te onderzoeken en driedimensionale MO's te reconstrueren. Dit kost tijd en vereist complexe experimentele protocollen.
Ten tweede is het, om goed rekening te kunnen houden met verschillen in moleculaire oriëntatie en vervormingen in een bepaald materiaal, nodig om POT te combineren met andere analytische technieken, wat vrij duur en vervelend is. Ten derde zijn traditionele POT-technieken gevoelig voor ruis in de gemeten gegevens, wat het moeilijk maakt om kleine MO's waar te nemen.
Om al deze beperkingen aan te pakken, ontwikkelde het team van prof. Niki een nieuwe POT-techniek, gebaseerd op een wiskundig analysehulpmiddel genaamd het PhaseLift-algoritme. Dit algoritme is ontworpen om een fundamenteel probleem in de signaal- en beeldverwerking aan te pakken:het reconstrueren van een signaal of beeld op basis van onvolledige of indirecte metingen.
Met behulp van PhaseLift vereenvoudigden de onderzoekers de via POT verkregen foto-elektronenmomentumkaarten (PMM's) tot een beter beheersbare vorm, waardoor ze gemakkelijker en nauwkeuriger de gewenste MO's konden berekenen.
Een van de belangrijkste voordelen van de voorgestelde aanpak is dat nauwkeurige MO's kunnen worden verkregen uit een enkele set PMM-metingen. Bovendien is het veel beter in het verwerken van luidruchtige gegevens. Dit is gedeeltelijk te danken aan het slimme gebruik van op spaarzaamheid gebaseerde technieken, die de ruimte beperken waar oplossingen voor MO's alleen als de meest relevante moleculaire orbitalen worden beschouwd.
Zowel theoretische analyses als experimentele tests bevestigden de geldigheid van deze innovatieve methode en lieten het potentieel ervan zien. "Dit onderzoek was een samenwerking tussen wiskundigen, informatietheoretici en natuurwetenschappers en omvatte specifiek zowel experimentelen als theoretici", legt prof. Niki uit.
"Door gebruik te maken van hun expertise hebben we succesvol interdisciplinair fusieonderzoek gerealiseerd. Deze gezamenlijke aanpak heeft ons in staat gesteld eerdere uitdagingen te overwinnen en een POT-methode te leveren die veelbelovend is voor bredere toegankelijkheid en toepasbaarheid", voegde ze eraan toe.
Met behulp van de voorgestelde techniek zullen wetenschappers de elektronische toestanden van moleculen in dunnefilmmaterialen gemakkelijker kunnen visualiseren. Dit zal op zijn beurt helpen de oorsprong van relevante fysieke eigenschappen beter te begrijpen, wat zal leiden tot nieuwe slimme materiaalontwerpen en verdere innovaties in de toegepaste wetenschap.
"Onze ontwikkelde methode vertegenwoordigt een doorbraak in de visualisatie van de elektronische toestanden van materialen die voorheen moeilijk waar te nemen waren", zegt prof. Niki.
Prof. Niki en het team erkennen het enorme potentieel dat de op PhaesLift gebaseerde POT biedt en hopen pioniers te worden in dit opkomende onderzoeksveld. "Vooruitlopend op de wereldwijde verspreiding van PMM hoop ik dat we een centrum kunnen oprichten dat gespecialiseerd is in PMM-analyse, een voorsprong op de rest van de wereld", zegt ze.
"Dit kerninstituut zal hopelijk een centrum van innovatie worden en de ontwikkeling van talloze nieuwe materialen stimuleren die de Japanse economie de komende halve eeuw zullen ondersteunen."