Elektrontranszfer folyamatok egyszerű modelljeinek tanulmányozása kvantum és klasszikus dinamikai módszerekkel
Angol cím
Quantum and classical dynamics investigations of simple models of electron transfer processes
zsűri
Kémia 1
Kutatóhely
Kémiai Intézet (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők
Borgis Daniel
projekt kezdete
2005-01-01
projekt vége
2009-04-30
aktuális összeg (MFt)
8.350
FTE (kutatóév egyenérték)
2.51
állapot
lezárult projekt
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Kutatásunk során egy felesleg elektron fizikai tulajdonságait vizsgáltuk vizes és metanolos közegben kevert kvantumos-klasszikus molekuladinamikai szimulációk alkalmazásával. Modelljeink magukba foglaltak véges méretű víz és metanol molekulafürtöket anionokat, víz-levegő határfelületen stabilizálódó felesleg elektront és tömbfázisú hidratált elektront. Megállapítottuk, hogy az elektron két alapvető módon stabilizálódhat: a vizsgált rendszer határfelületén, vagy annak belsejében. Az állapotok stabilitását a kísérletek fizikai körülményei határozzák meg, s ezektől függően elektrontranszfer folyamat mehet végbe a két lokalizációs mód között. A vizsgált rendszerek fizikai jellemzését elvégeztük, a kísérleti észlelésekre egy új, konzisztens magyarázattal szolgáltunk.
A vizsgált modellekkel kapcsolatban az elektronállapotok közötti sugárzásmentes átmenetek sebességének számítására kidolgozott, a Fermi aranyszabályon alapuló kvantummechanikai formalizmusunk alkalmazásával megbecsültük a hidratált és metanolban szolvatált elektron gerjesztett állapotának élettartamát. Az eljárás további alkalmazásaként a hidratált elektron klasszikus módon számított optikai abszorpciós spektrumát is korrigáltuk. Eredményeink jó összhangban vannak a kísérleti tapasztalatokkal.
A hidratált elektron rendszert, mint hasznos és egyszerű modellt alkalmaztuk a biomolekulákat körülvevő oldószer molekulák és ellenionok eloszlását modellező klasszikus sűrűségfunkcionál módszer kidolgozása során is.
kutatási eredmények (angolul)
We examined the physical properties of excess electrons in water and methanol using mixed quantum-classical molecular dynamics simulations. The investigated systems included finite size water and methanol cluster anions, excess electrons stabilized on water/air interfaces, and the bulk hydrated electron. We found that excess electrons can stabilize in two localization modes in polar media: on the interface or in the interior of the examined system. The relative stability of the localization modes is determined by the experimental conditions. Depending on the conditions electron transfer can take place between the two localization modes. We performed the physical characterization of the examined systems, and gave a new and consistent interpretation of the experimental observations.
In connection with the examined models, we developed a new quantum mechanical formalism for the description of the radiationless electronic transitions based on the Fermi golden rule. We applied the formalism to compute the excited state lifetime of an excess electron in water and methanol and, as a somewhat different application, the optical absorption spectrum of the hydrated electron. Our results are in good agreement with the experimental findings.
We also applied the hydrated electron system, as a useful and simple model, in the development of the classical density functional theory modeling the counterion and solvent distribution of important biomolecules.
Turi, L.; Sheu, W.-S., Rossky, P. J.: Characterization of Excess Electrons in Water Cluster Anions by Quantum Simulations, Science, Vol. 309, pp. 914-917, 2005
Turi, L.; Sheu, W.-S., Rossky, P. J.: Response to Comment on “Characterization of Excess Electrons in Water Cluster Anions by Quantum Simulations, Science, Vol. 310, p. 1769c (http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/sci;310/5755/1769c), 2005
Borgis D.; Rossky, P. J.; Turi L.: Quantized time correlation function approach to nonadiabatic decay rates in condensed phase: Application to solvated electrons in water and methanol, Journal of Chemical Physics, Vol. 125, Art. No. 064501, 2006
Turi L.; Madarász, Á.; Rossky, P. J.: Excess electron localization sites in neutral water clusters, Journal of Chemical Physics, Vol. 125, Art. No. 014308, 2006
Borgis D.; Rossky, P. J.; Turi L.: Nuclear quantum effects on the nonadiabatic decay mechanism of an excited hydrated electron, Journal of Chemical Physics, Vol. 127, 174508, 2007
Madarász, Á.; Rossky, P. J. ; Turi L.: Excess Electron Relaxation Dynamics at Water/Air Interfaces, Journal of Chemical Physics, Vol. 126, 234707, 2007
Turi, L.: Excess Electrons in Water: Clusters, Interfaces and the Bulk, American Physical Society March Meeting, 2007
Madarász, Á.; Rossky, P. J. ; Turi L.: Interior- and Surface-bound Excess Electron States in Large Water Cluster Anions, Journal of Chemical Physics, Vol. 130, 124319, 2009
Madarász, Á.; Rossky, P. J. ; Turi L.: Excess Electron at Water/Air Interfaces, Faraday Discussion 141: Water - From Interfaces to the Bulk, Edinburgh, Scotland, 2008
Turi L.; Hantal Gy.; Rossky, P. J. ; Borgis, D.: Nuclear Quantum Effects in Electronically Adiabatic Quantum Time Correlation Functions: Application to the Absorption Spectrum of a Hydrated Electron, Journal of Chemical Physics, közlésre elfogadva, 2009
Madarász, Á.; Rossky, P. J. ; Turi, L.: Free energy calculations for an excess electron in water cluster anions, kézirat előkészületben, 2009
Letif, M.; Turi, L.: A new electron-methanol molecule pseudopotential and its application for the solvated electron in methanol, kézirat előkészületben, 2009
Letif, M.; Rossky, P. J.; Turi, L.: Quantum molecular dynamics simulations of methanol cluster anions, kézirat előkészületben, 2009
