Moleculen die uit veel atomen bestaan, zijn complexe structuren. De buitenste elektronen zijn verdeeld over de verschillende orbitalen, en hun vorm en bezetting bepalen het chemische gedrag en de reactiviteit van het molecuul. De configuratie van deze orbitalen kan experimenteel worden geanalyseerd. Synchrotronbronnen zoals BESSY II bieden hiervoor een methode:Resonant inelastische X-ray scattering (RIXS). Echter, om informatie over de orbitalen te verkrijgen uit experimentele gegevens, kwantumchemische simulaties zijn nodig. Typische rekentijden voor grotere moleculen duren weken, zelfs op krachtige computers.

De evaluatie versnellen

"Tot nu toe, deze berekeningen zijn meestal uitgevoerd na de metingen, " legt theoretisch chemicus Dr. Vinicius Vaz da Cruz uit, postdoc in het team van Prof. Dr. Alexander Föhlisch. Samen met de RIXS-expert Dr. Sebastian Eckert, ook een postdoc in het team van Föhlisch, ze hebben een uitgekiende nieuwe procedure ontwikkeld die de evaluatie vele malen versnelt.

“Met onze methode het duurt een paar minuten en we hebben hier geen supercomputer voor nodig, het werkt op desktopmachines, ", zegt Eckert. De HZB-wetenschappers hebben de methode getest op het molecuul 2-thiopyridon, een modelsysteem voor protonoverdracht, die essentiële processen zijn in levende cellen en organismen. Ondanks de korte rekentijd, de resultaten zijn nauwkeurig genoeg om zeer bruikbaar te zijn.

"Dit is een enorme stap voorwaarts, " benadrukt Föhlisch. "We kunnen van tevoren veel opties doornemen en het molecuul leren kennen, bij wijze van spreken. In aanvulling, deze methode maakt het ook mogelijk om veel complexere moleculen te simuleren en de experimenteel verkregen gegevens op een zinvolle manier te interpreteren." Experimenteel fysicus Eckert vult aan:"We kunnen nu ook de simulaties uitvoeren tijdens de meting en meteen zien waar het bijzonder spannend kan zijn nader te bekijken."

De procedure is een uitbreiding van de gevestigde en zeer efficiënte tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionaaltheorie, wat veel sneller is dan de traditionele concepten om het RIXS-proces te simuleren. "De eenvoud van de methode zorgt voor een grote mate van automatisering, " zegt Vaz da Cruz:"Het kan worden gebruikt als een zwarte doos."