Kernquanteneffekte auf Nicht-Adiabatische Moleküldynamik

Ultraschnelle Prozesse, die die Wechselwirkung von Materie mit Licht involvieren, sind für viele wichtige Naturphänomene wie Sehen oder Photosynthese verantwortlich, aber gleichzeitig werden sie in zahlreichen Anwendungen genutzt, z. B. für die Konstruktion von photonischen Materialien und Geräten. Das Verständnis von photoinduzierten Prozessen ist daher eine unverzichtbare Voraussetzung für die praktische Gestaltung der photoaktiven Funktionsmaterialien. Das Ziel dieses Projektes ist eine allgemeine Methodezuentwickeln, die die Untersuchung von Photoreaktionen ermöglicht, indem die Kernquanteneffekte und nicht-adiabatische Dynamik in einem einheitlichen Ansatz berücksichtigt werden hier, auf photochrome Systeme angewendet. Die wichtigsten Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens sind die volle Räumlichkeit, Effizienz und Übertragbarkeit, durch die es für besonders schwierige Probleme anwendbar wird, wie den Protonentransfer im angeregten Zustand, in dem Kernquanteneffekte eine wichtige Rolle spielen. Die Neuheit des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, die quantenmechanische Natur der Atomkerne (die für Nullpunktschwingungsenergie, Delokalisierung und Tunneleffekte verantwortlich ist) und nicht-adiabatischen Übergänge zwischen den elektronisch angeregten Zuständen (z. B. aus Lichtabsorption resultierend) gleichzeitig zu beschreiben. Kernbewegung wird in Echtzeit propagiert unter Verwendung einer Reihe von entsprechend gekoppelten Trajektorien in voll-dimensionalen Raum, während die Bewegung der Elektronen on-the-fly berechnet wird. Der Vorteil dieses kombinierten Ansatzes im Vergleich zu Wellenfunktion basierende Kernquantendynamik besteht darin, dass von vornherein Kenntnis der Wechselwirkungspotenziale nicht erforderlich ist, obwohl die Kernquanteneffekte enthalten sind. Die Fähigkeiten der neu entwickelten Technik werden durch die Untersuchung der photoinduzierten Protonentransfer Reaktion in Beta-Thioxoketone, eine prominente Klasse von photochromen Materialien, nachgewiesen. Trotz der reichen Sammlung von experimentellen Daten für diese Systeme konnte der molekulare Mechanismus der Pthotoreaktion bis lange nicht aufgeklärt werden. Dieses Projekt wird die erste voll-dimensionale, nicht-adiabatische und dynamische Simulationen einschließlich den nuklearen Quanteneffekten liefern. Somit wird das beispiellose Verständnis der Photoreaktivität dieser breiten Familie photochromer Systeme erwartet, um den Untersuchungen der photoinduzierten Protonentransfer Reaktionen zu ermöglichen, damit der Gestaltung der funktionalen photochromen Materialien den Weg zu ebnen.