Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Neues aus der Forschung

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Meldung vom 21.12.2018

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in Flüssigkeiten.


190108-1842_medium.jpg
 
Feynman-Diagramme können nun auch benutzt werden, um rotierende Moleküle zu beschreiben
G. Bighin, T. V. Tscherbul, and M. Lemeshko
Diagrammatic Monte Carlo Approach to Angular Momentum in Quantum Many-Particle Systems
Phys. Rev. Lett. 121, 165301
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.165301


Feynman-Diagramme sind ein leistungsstarkes Werkzeug in der Physik der kondensierten Materie. Die Methode, die hochkomplexe Gleichungen in einfache Diagramme umwandelt, hat sich als eines der wirkungsvollsten Werkzeuge in der theoretischen Physik etabliert. Giacomo Bighin, ein Postdoc in der Forschungsgruppe von Mikhail Lemeshko am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), hat die Technik nun erweitert: War sie ursprünglich für subatomare Teilchen, also sehr einfache Teilchen, konzipiert, so kann sie nun auch auf weitaus komplexere Objekte, nämlich Moleküle, angewendet werden. Die in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichte Arbeit soll die Beschreibung von Molekülrotationen in Lösungen drastisch vereinfachen. Dies bringt die Wissenschaftler ihrem langfristigen Ziel, chemische Reaktionen in Lösungsmitteln auf mikroskopischer Ebene zu verstehen und möglicherweise zu steuern, einen Schritt näher.

Manchmal ist die Lösung eines Problems näher als gedacht, zum Beispiel kann sie in einem anderen Bereich des eigenen Forschungsfeldes zu finden sein. Aber über Disziplinen hinweg zu denken ist schwierig und erfordert eine gute Kombination der Expertise sowie eine Umgebung, die interdisziplinäre Kooperationen unterstützt. Eine solche Umgebung fand Giacomo Bighin am IST Austria vor, als er, ein Festkörperphysiker, in die Forschungsgruppe von Mikhail Lemeshko, einem Molekülphysiker, kam. Das Ergebnis der Zusammenarbeit ist eine neue Methode für die Molekülphysik, die die Beschreibung rotierender Moleküle in Lösungen erheblich erleichtern kann und den Weg zu einer möglichen zukünftigen Steuerung ihrer Reaktionen ebnet.

„Moleküle sind ständig in Drehung, und wie sie miteinander wechselwirken, hängt von ihrer relativen Orientierung ab. Treffen sie ein anderes Molekül mit dem einem Ende, so hat das einen anderen Effekt als wenn sie es mit dem anderen Ende treffen “, erklärt Mikhail Lemeshko. In Experimenten mit molekularen Gasen ist es bereits gelungen, die Orientierung von Molekülen und damit ihre chemischen Reaktionen zu kontrollieren, dasselbe auch in Lösungsmitteln zu tun, ist aber schwierig. Dies ist das langfristige Ziel, auf das Mikhail Lemeshko und seine Gruppe Schritt für Schritt hinarbeiten. Der Schritt, den sie gerade erfolgreich getan haben, besteht darin, die Rotation eines Moleküls in einer Lösung besser beschreiben zu können. Dies stellt eine Voraussetzung für die Kontrolle der Reaktionen in dieser Umgebung dar.

Die Übertragung der Methode war alles andere als einfach. „Feynman-Diagramme funktionieren für strukturlose Teilchen wie zum Beispiel Elektronen. Strukturlos bedeutet, dass sie von Rotationen nicht verändert werden: Dreht man ein Elektron, sieht es genauso aus wie zuvor. Moleküle dagegen sind komplexer und können sich drehen und ihre Orientierung im Raum verändern“, erklärt Giacomo Bighin. Um die Methode von Elektronen auf Moleküle zu übertragen, musste er einen neuen Formalismus entwickeln. Zuvor war nicht bekannt, ob die Methode für Moleküle überhaupt funktionieren würde, und ihre Anpassung dauerte mehr als ein Jahr. Nun ist der Formalismus für den Einsatz in chemischen Problemen bereit. „Wir erwarten, dass Leute mit einem molekularen Hintergrund sehen werden, dass es jetzt möglich geworden ist, Moleküle auf diese Weise zu untersuchen. Die Methode liefert extrem präzise Ergebnisse in der Physik der kondensierten Materie und hat das Potential, die gleiche Genauigkeit auch in molekularen Simulationen zu erreichen “, fügt Lemeshko hinzu.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung