Het lijdt geen twijfel dat water een belangrijke rol speelt. Zonder dit zou het leven nooit zijn begonnen, laat staan ​​vandaag de dag voortduren – om nog maar te zwijgen van de rol ervan in het milieu zelf, waarbij oceanen meer dan 70% van de aarde bedekken.

Maar ondanks zijn alomtegenwoordigheid vertoont vloeibaar water een aantal elektronische ingewikkeldheden die wetenschappers in de scheikunde, natuurkunde en technologie lange tijd in verwarring hebben gebracht. De elektronenaffiniteit, d.w.z. de energiestabilisatie die een vrij elektron ondergaat wanneer het door water wordt gevangen, is vanuit experimenteel oogpunt slecht gekarakteriseerd.

Zelfs de meest nauwkeurige elektronische structuurtheorie van vandaag is er niet in geslaagd het beeld te verhelderen, wat betekent dat belangrijke fysieke grootheden, zoals de energie waarmee elektronen uit externe bronnen in vloeibaar water kunnen worden geïnjecteerd, ongrijpbaar blijven. Deze eigenschappen zijn cruciaal voor het begrijpen van het gedrag van elektronen in water en kunnen een rol spelen in biologische systemen, milieucycli en technologische toepassingen zoals de conversie van zonne-energie.

In een recente studie hebben EPFL-onderzoekers Alexey Tal, Thomas Bischoff en Alfredo Pasquarello aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het ontcijferen van de puzzel. Hun studie, gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences , richt zich op de elektronische structuur van water met behulp van computermethoden die verder gaan dan de meest geavanceerde benaderingen van vandaag.

De onderzoekers bestudeerden water met behulp van een methode gebaseerd op de ‘many-body perturbation theory’. Dit is een complex wiskundig raamwerk dat wordt gebruikt om de interacties van meerdere deeltjes binnen een systeem te bestuderen, zoals elektronen in een vaste stof of een molecuul, en onderzoekt hoe deze deeltjes elkaars gedrag beïnvloeden, niet op zichzelf, maar als onderdeel van een grotere interactiegroep. P>

Relatief eenvoudig gezegd is de veeldeeltjesverstoringstheorie een manier om de eigenschappen van een veeldeeltjessysteem te berekenen en te voorspellen door rekening te houden met alle complexe interacties tussen de componenten.

Maar de natuurkundigen hebben de theorie aangepast met 'vertexcorrecties':aanpassingen in de veeldeeltjesverstoringstheorie die rekening houden met de complexe interacties tussen deeltjes die verder gaan dan de eenvoudigste benaderingen.

Vertexcorrecties verfijnen de theorie door rekening te houden met hoe deze interacties de energieniveaus van deeltjes beïnvloeden, bijvoorbeeld hun reactie op externe velden of hun eigen energie. Kortom, hoekpuntcorrecties leiden tot nauwkeurigere voorspellingen van fysische eigenschappen in een systeem met veel deeltjes.

Het modelleren van de elektronische eigenschappen van water

Het modelleren van vloeibaar water is bijzonder uitdagend. Een watermolecuul bevat één zuurstofatoom en twee waterstofatomen, en zowel hun thermische beweging als de kwantumaard van hun kernen spelen een sleutelrol. Rekening houdend met deze aspecten bepaalden de onderzoekers nauwkeurig de elektronische eigenschappen van water, zoals het ionisatiepotentieel, de elektronenaffiniteit en de bandafstand. Deze bevindingen zijn essentieel om te begrijpen hoe water op elektronisch niveau interageert met licht en andere stoffen.

"Onze studie van de energieniveaus van water verzoent theorie op hoog niveau met experiment", zegt Alfredo Pasquarello. Alexey Tal benadrukt verder het belang van de nieuwe methodologie:"Dankzij de geavanceerde beschrijving van de elektronische structuur konden we ook een nauwkeurig absorptiespectrum produceren."

De bevindingen hebben aanvullende implicaties. De theoretische ontwikkelingen toegepast door het EPFL-team leggen de basis voor een nieuwe, universeel toepasbare standaard om nauwkeurige elektronische structuren van materialen te bereiken. Dit biedt een zeer voorspellend hulpmiddel dat mogelijk een revolutie teweeg zou kunnen brengen in ons fundamentele begrip van elektronische eigenschappen in de wetenschap van de gecondenseerde materie, met toepassingen in de zoektocht naar materiaaleigenschappen met specifieke elektronische functionaliteiten.

Meer informatie: Tal, Alexey et al., Absolute energieniveaus van vloeibaar water uit de verstoringstheorie van veel lichamen met effectieve hoekpuntcorrecties, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2311472121. doi.org/10.1073/pnas.2311472121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Ecole Polytechnique Federale de Lausanne