A memória é importante para o movimento atómico quântico nos metais
Novas descobertas com implicações para a catálise heterogénea e o armazenamento de energia
George Trenins e Mariana Rossi, do Grupo Lise Meitner do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD), desenvolveram uma técnica eficiente para simular o impacto da fricção eletrónica no movimento quântico atómico em interfaces metálicas. Aplicando-a a átomos de hidrogénio sobre cobre, explicam a origem física das taxas de difusão observadas experimentalmente - oferecendo uma nova perspetiva com implicações para a catálise heterogénea e o armazenamento de energia. O seu trabalho foi agora publicado na revista Physical Review Letters (PRL).
O atrito eletrónico é o principal mecanismo de dissipação de energia para os átomos de hidrogénio que se difundem nas superfícies de cobre. Na teoria do caminho-integral, a sua influência nos efeitos quânticos nucleares é simulada com "polímeros em anel" (à esquerda) que se movem de acordo com a equação de Langevin generalizada (GLE). O novo trabalho permite simulações dinâmicas deste tipo para sistemas moleculares complexos.
G. Trenins
Numa série de aplicações tecnológicas relacionadas com a produção e armazenamento de energia química, os átomos e as moléculas difundem-se e reagem em superfícies metálicas. A capacidade de simular e prever este movimento é crucial para compreender a degradação dos materiais, a seletividade química e a otimização das condições das reacções catalíticas. Para tal, é fundamental uma descrição correta das partes constituintes dos átomos: electrões e núcleos.
Um eletrão é incrivelmente leve - a sua massa é quase 2.000 vezes menor do que a do núcleo mais leve. Esta disparidade de massa permite que os electrões se adaptem rapidamente às mudanças nas posições nucleares, o que normalmente permite aos investigadores utilizar uma descrição "adiabática" simplificada do movimento atómico. Embora isto possa ser uma excelente aproximação, em alguns casos os electrões são afectados pelo movimento nuclear de tal forma que é necessário abandonar esta simplificação e ter em conta o acoplamento entre a dinâmica dos electrões e dos núcleos, o que conduz aos chamados "efeitos não adiabáticos".
Um tipo de efeito não-adiabático que é especialmente relevante para os metais é o chamado atrito eletrónico. Afecta a probabilidade de os átomos e as moléculas aderirem aos metais, a taxa a que dissipam energia através das vibrações e a velocidade a que se difundem nas superfícies metálicas. Se os núcleos fossem partículas clássicas, este fenómeno poderia ser descrito como uma força de arrastamento exercida pelos electrões sobre os núcleos à medida que estes se deslocam num ambiente metálico.
No entanto, os núcleos atómicos são objectos quânticos cujo movimento não está de acordo com a nossa intuição quotidiana e é difícil de simular num computador. Ao contrário dos objectos clássicos, os núcleos atómicos possuem uma energia de ponto zero inerente, o que lhes permite escapar mais facilmente a um poço de energia potencial. Podem também sofrer tunelamento quântico, saindo do poço mesmo que não tenham energia suficiente para ultrapassar a barreira circundante. Estes efeitos alteram as taxas de reação química em ordens de grandeza e devem ser tidos em conta nas simulações para se obter uma visão física fiável.
Num trabalho recente, George Trenins e Mariana Rossi conseguiram combinar o atrito eletrónico com uma metodologia prática para simular os efeitos quânticos nucleares, com base na formulação integral do caminho da mecânica quântica. É importante notar que a sua abordagem pode descrever forças de atrito que dependem não só do estado atual dos átomos, mas também da trajetória que seguiram no passado. A combinação desta propriedade, conhecida como "memória", com efeitos de energia de ponto zero permitiu aos investigadores explicar a inesperada concordância entre as simulações clássicas anteriores e os resultados experimentais.
"A nossa abordagem tem por objetivo obter a resposta certa pela razão certa", afirma Trenins. "Ao captar a interação entre os núcleos quânticos e a fricção eletrónica, podemos obter uma visão profunda da troca de energia em superfícies condutoras e ajudar na conceção de novos catalisadores heterogéneos, tais como ligas de um só átomo e materiais bidimensionais." Mariana Rossi acrescenta: "É definitivamente excitante dispor de um método que pode ser aplicado a sistemas mais complexos em toda a sua dimensionalidade. Isto permitir-nos-á explorar estes efeitos em sistemas que anteriormente não eram passíveis de tais simulações."
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