Glow sticks, zoals die zwaaiend door trick-or-treaters en feestgangers, oplichten door aangeslagen elektronen van de moleculen in de aanwezige fluorescerende kleurstof. Elektronen accepteren de opwindende energie van een chemische reactie die ontstaat wanneer een binnenbuis in de gloeistaaf wordt gebarsten en twee vloeistoffen met elkaar in contact komen. Na het prikkelen naar een hoger energieniveau, ze ontspannen terug naar een lagere energie door licht vrij te geven dat jonge snoepjagers in kostuums kan begeleiden.

De kleur van een glowstick biedt een directe manier om excitatie-energie te visualiseren, de energie die nodig is om een ​​enkel elektron in een aangeslagen toestand te sturen. Maar dit fenomeen speelt een fundamenteel belangrijke rol in tal van situaties, zoals het opladen van een mobiele telefoon, beeldvormende cellen met fluorescentiemicroscopie en fotosynthese in planten. Onderzoekers op meerdere gebieden vertrouwen in hun werk op het begrijpen van excitatie-energieën van materialen, maar het berekenen van hun waarden is notoir moeilijk en wordt ongelooflijk complex voor elektronen in grotere verbindingen en polymeren.

In een nieuwe studie die deze week in de Tijdschrift voor Chemische Fysica , onderzoekers van Temple University demonstreren een nieuwe methode om excitatie-energieën te berekenen. Ze gebruikten een nieuwe benadering op basis van dichtheidsfunctionele methoden, die een atoom-voor-atoom benadering gebruiken om elektronische interacties te berekenen. Door een benchmarkset van kleine moleculen en oligomeren te analyseren, hun functionele produceerde nauwkeurigere schattingen van excitatie-energie in vergelijking met andere veelgebruikte dichtheidsfunctionalen, terwijl er minder rekenkracht nodig is.

De dichtheidsfunctionaal heeft wijdverbreid gebruikspotentieel vanwege de verbeterde nauwkeurigheid en omdat het een niet-empirische functie is, wat betekent dat het niet afhankelijk is van gegevens van specifieke omstandigheden in de berekening. Dus, het kan universeel worden toegepast om vragen in de chemie aan te pakken, natuurkunde en materiaalkunde.

"We hebben geprobeerd een nieuwe methode te ontwikkelen die niet alleen goed is voor de toestand van de grond (laagste energie), maar ook voor de aangeslagen toestand. We ontdekten dat, omdat deze methode een zeer goede schatting geeft van de excitatie-energie, het kan verder worden toegepast om andere dynamische eigenschappen te bestuderen, " zei Jianmin Tao, onderzoeksassistent-professor natuurkunde aan Temple University. "Deze functionaliteit kan nieuwe inzichten bieden in excitatie-energie of gerelateerde eigenschappen van moleculen en materialen."

De functionaliteit is vooral efficiënt in termen van rekenkracht omdat het semi-lokaal is, en gebruikt de elektronendichtheid op een referentiepunt, evenals informatie rond het referentiepunt om de berekening te informeren. Net als andere semi-lokale functionalen, echter, de nieuwe methode biedt ruimte voor verbetering bij het berekenen van excitatie-energieën voor geconjugeerde oligomeren - verbindingen die zijn samengesteld uit meerdere eenheden die afwisselend enkele en meervoudige bindingen bevatten, die gedelokaliseerde elektronen delen.

Bij toekomstig werk, Tao is van plan de functionele toe te passen om luminescente en fluorescerende kleurstoffen te bestuderen, die licht van bepaalde meetbare golflengten absorberen en uitstralen. Deze moleculen zijn van onschatbare waarde voor biomedisch onderzoek, waar ze kunnen worden gebruikt om specifieke cellen of eiwitten onder de microscoop te labelen, of in diagnostische tests om bepaalde DNA-sequenties te detecteren. Het schatten van de excitatie-energieën van deze complexe materialen, echter, is een rekenkundige zware taak.

"Kleuren zijn meestal groot, geconjugeerde oligomeren en polymeren, legde Tao uit. "Hun optische spectra kunnen worden verfijnd door manipulatie van het skelet van het molecuul, dus deze functionaliteit zou erg handig moeten zijn bij het ontwerpen van lichtgevende materialen, vanwege zijn hoge rekenefficiëntie en goede nauwkeurigheid, ' zei Tao.