מחקר פורץ דרך מגלה את הסודות האלקטרוניים של המים

חוקרים ב-EPFL השיגו פריצת דרך משמעותית בהבנת התכונות האלקטרוניות של מים, מרכיב בסיסי של החיים והסביבה.

אין ספק שלמים יש משמעות. בלעדיו, החיים לעולם לא היו מתחילים, שלא לדבר על ממשיכים היום – שלא לדבר על תפקידם בסביבה עצמה, עם אוקיינוסים המכסים למעלה מ-70% מכדור הארץ.

אבל למרות נוכחותם בכל מקום, מים נוזליים מכילים כמה מורכבויות אלקטרוניות שתמהו מדענים מזמן בכימיה, פיזיקה וטכנולוגיה. לדוגמא, זיקת האלקטרונים, כלומר ייצוב האנרגיה שעובר אלקטרון חופשי כשהוא נלכד במים, נותרה מאופיינת בצורה גרועה מנקודת מבט ניסיוני.

פירוק התעלומות האלקטרוניות של המים

אפילו תיאוריית המבנה האלקטרוני המדויקת ביותר של ימינו לא הצליחה להבהיר את התמונה, מה שאומר שכמויות פיזיקליות חשובות כמו האנרגיה שבה ניתן להחדיר אלקטרונים ממקורות חיצוניים למים נוזליים נותרו חמקמקים. מאפיינים אלו חיוניים להבנת התנהגותם של אלקטרונים במים ויכולים למלא תפקיד במערכות ביולוגיות, מחזוריות סביבתית ויישומים טכנולוגיים כמו המרת אנרגיה סולארית.

במחקר שנערך לאחרונה, חוקרי EPFL אלכסיי טל, תומס בישוף ואלפרדו פסקווארלו עשו צעדים משמעותיים בפענוח הפאזל. המחקר שלהם, שפורסם ב PNASמתייחס למבנה האלקטרוני של המים תוך שימוש בשיטות חישוביות החורגות מהגישות המתקדמות ביותר של ימינו.

גישות תיאורטיות מתקדמות

החוקרים חקרו מים באמצעות שיטה המבוססת על "תיאוריית הפרעות בגוף רבים". זוהי מסגרת מתמטית מורכבת המשמשת לחקר האינטראקציות של חלקיקים מרובים בתוך מערכת, כמו אלקטרונים במוצק או מולקולה, ובוחנת כיצד חלקיקים אלה משפיעים זה על התנהגותו של זה, לא בבידוד אלא כחלק מקבוצה גדולה יותר, המקיימת אינטראקציה. בפשטות יחסית, תיאוריית הפרעות בגוף רבים היא דרך לחשב ולחזות את המאפיינים של מערכת מרובה חלקיקים על ידי התחשבות בכל האינטראקציות המורכבות בין מרכיביה.

אבל הפיזיקאים שינו את התיאוריה עם "תיקוני קודקוד": שינויים בתיאוריית הפרעות של גופים רבים המסבירים את האינטראקציות המורכבות בין חלקיקים מעבר לקירוב הפשוט ביותר. תיקוני קודקוד מחדדים את התיאוריה על ידי התחשבות כיצד אינטראקציות אלו משפיעות על רמות האנרגיה של חלקיקים, למשל תגובתם לשדות חיצוניים או האנרגיה העצמית שלהם. בקיצור, תיקוני קודקוד מובילים לחיזוי מדויק יותר של תכונות פיזיקליות במערכת מרובת חלקיקים.

דוגמנות מאפיינים אלקטרוניים של מים

דוגמנות מים נוזליים היא מאתגרת במיוחד. מולקולת מים מכילה חמצן אחד אָטוֹם ושני אטומי מימן, וגם התנועה התרמית שלהם וגם האופי הקוונטי של הגרעינים שלהם ממלאים תפקיד מפתח. בהתחשב בהיבטים אלה, החוקרים קבעו במדויק את התכונות האלקטרוניות של המים, כגון פוטנציאל היינון, זיקת האלקטרונים ופער הפס. ממצאים אלו חיוניים להבנת האופן שבו מים מתקשרים עם אור וחומרים אחרים ברמה האלקטרונית.

"המחקר שלנו על רמות האנרגיה של המים מיישב תיאוריה ברמה גבוהה עם ניסוי", אומר אלפרדו פסקווארלו. אלכסיי טל מדגישה עוד את חשיבות המתודולוגיה החדשה: "בזכות התיאור המתקדם של המבנה האלקטרוני, הצלחנו לייצר ספקטרום בליעה מדויק".

פרדיגמה חדשה למדעי החומר

לממצאים השלכות נוספות. ההתפתחויות התיאורטיות המיושמות על ידי צוות EPFL מניחות את היסודות לתקן חדש ישים אוניברסלי להשגת מבנים אלקטרוניים מדויקים של חומרים. זה מספק כלי חיזוי מאוד שעשוי לחולל מהפכה בהבנתנו הבסיסית של מאפיינים אלקטרוניים במדע החומר המעובה, עם יישומים בחיפוש אחר תכונות חומרים עם פונקציות אלקטרוניות ספציפיות.