La memoria per il moto atomico quantistico sui metalli
Nuove scoperte con implicazioni per la catalisi eterogenea e l'accumulo di energia
George Trenins e Mariana Rossi del Gruppo Lise Meitner dell'Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia (MPSD) hanno sviluppato una tecnica efficiente per simulare l'impatto dell'attrito elettronico sul movimento quantistico degli atomi alle interfacce metalliche. Applicandola agli atomi di idrogeno sul rame, hanno spiegato l'origine fisica dei tassi di diffusione osservati sperimentalmente, offrendo nuove conoscenze con implicazioni per la catalisi eterogenea e l'accumulo di energia. Il loro lavoro è stato pubblicato su Physical Review Letters (PRL).
L'attrito elettronico è il principale meccanismo di dissipazione di energia per gli atomi di idrogeno che si diffondono sulle superfici di rame. Nell'ambito della teoria path-integral, la sua influenza sugli effetti quantistici nucleari è simulata con "polimeri ad anello" (a sinistra) che si muovono secondo l'equazione di Langevin generalizzata (GLE). Il nuovo lavoro consente di effettuare simulazioni di dinamica per sistemi molecolari complessi.
G. Trenins
In una serie di applicazioni tecnologiche legate alla generazione e allo stoccaggio di energia chimica, atomi e molecole si diffondono e reagiscono sulle superfici metalliche. Essere in grado di simulare e prevedere questo movimento è fondamentale per comprendere il degrado dei materiali, la selettività chimica e per ottimizzare le condizioni delle reazioni catalitiche. A tal fine è fondamentale una descrizione corretta dei componenti degli atomi: elettroni e nuclei.
Un elettrone è incredibilmente leggero: la sua massa è quasi 2.000 volte inferiore a quella del nucleo più leggero. Questa disparità di massa consente agli elettroni di adattarsi rapidamente ai cambiamenti di posizione dei nuclei, il che di solito permette ai ricercatori di utilizzare una descrizione semplificata "adiabatica" del moto atomico. Sebbene questa possa essere un'ottima approssimazione, in alcuni casi gli elettroni sono influenzati dal moto nucleare a tal punto da dover abbandonare questa semplificazione e tenere conto dell'accoppiamento tra la dinamica degli elettroni e quella dei nuclei, portando ai cosiddetti "effetti non adiabatici".
Un tipo di effetto non adiabatico, particolarmente rilevante per i metalli, è definito attrito elettronico. Esso influisce sulla probabilità che atomi e molecole si attacchino ai metalli, sulla velocità con cui dissipano energia attraverso le vibrazioni e sulla velocità con cui si diffondono sulle superfici metalliche. Se i nuclei fossero particelle classiche, questo fenomeno potrebbe essere descritto come una forza di trascinamento esercitata dagli elettroni sui nuclei mentre si muovono in un ambiente metallico.
Tuttavia, i nuclei atomici sono oggetti quantistici il cui movimento non è in accordo con la nostra intuizione quotidiana ed è difficile da simulare al computer. A differenza degli oggetti classici, i nuclei atomici possiedono un'energia intrinseca di punto zero, che li rende più facili da far uscire da un pozzo di energia potenziale. Possono anche subire un tunnelling quantistico, uscendo dal pozzo anche se non hanno energia sufficiente per superare la barriera circostante. Questi effetti alterano i tassi di reazione chimica di ordini di grandezza e devono essere considerati nelle simulazioni per ottenere una visione fisica affidabile.
Nel loro recente lavoro, George Trenins e Mariana Rossi sono riusciti a combinare l'attrito elettronico con una metodologia pratica per la simulazione degli effetti quantistici nucleari, basata sulla formulazione path-integral della meccanica quantistica. È importante notare che il loro approccio può descrivere forze di attrito che dipendono non solo dallo stato attuale degli atomi, ma anche dalla traiettoria che hanno seguito in passato. La combinazione di questa proprietà, nota come "memoria", con gli effetti dell'energia di punto zero ha permesso ai ricercatori di spiegare l'inatteso accordo tra le precedenti simulazioni classiche e i risultati sperimentali.
"Il nostro approccio mira a ottenere la risposta giusta per il motivo giusto", afferma Trenins. "Catturando l'interazione tra i nuclei quantistici e l'attrito elettronico, possiamo ottenere una visione approfondita dello scambio di energia sulle superfici conduttrici e aiutare la progettazione di nuovi catalizzatori eterogenei, come le leghe a singolo atomo e i materiali bidimensionali". Mariana Rossi aggiunge: "È decisamente entusiasmante avere un metodo che può essere applicato a sistemi più complessi nella loro piena dimensionalità. Questo ci permetterà di esplorare questi effetti in sistemi che in precedenza non erano adatti a tali simulazioni".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
