Forscher haben veröffentlicht eine umfassende Rezension in Chemische Rezensionen zu elektronendichtebasierten Methoden.
Die Elektronendichtetopologie ist ein Konzept der theoretischen Chemie, aber es gibt nichts Theoretisches über die Auswirkungen, die sie auf die Welt um uns herum und auf die angewandte Forschung hat – sie definiert die Art und Eigenschaften aller chemischen Bindungen und ermöglicht die Erklärung von Phänomenen in einem realitätsnahen Rahmen Denn die Elektronendichte ist eine physikalisch beobachtbare Größe und ermöglicht die Entwicklung von Simulationsmethoden, die in den kommenden Jahrzehnten die rechnergestützte Materialwissenschaft revolutionieren dürften.
Die Entstehung des modernen Konzepts der chemischen Bindung begann vor etwa 100 Jahren, als Pauling erstmals chemische Bindungen aus quantenmechanischer Perspektive beschrieb. Seitdem hat es Jahrzehnte gedauert, Werkzeuge und Methoden zur Messung, Berechnung und Analyse der Elektronendichte mit einem Detaillierungsgrad zu entwickeln, der quantitative Schlussfolgerungen ermöglicht.
Während im späten 20. Jahrhundert große Fortschritte bei der Analyse der Elektronendichte erzielt wurden (gemeinsam bekannt als QTAIM, Quantentheorie der Atome in Molekülen), wurde der Werkzeugkasten erst in diesem Jahrhundert um NG-Technologien der nächsten Generation erweitert. QTAIM (entwickelt von einem der Co-Autoren) ermöglicht einen besseren Einblick in Phänomene, die beispielsweise auf der Femtosekundenskala in Materie unter Bestrahlung auftreten.
Wichtig für die heutige Technologieentwicklung, insbesondere von elektrochemischen Energiequellen wie Batterien, ermöglicht die Elektronendichteanalyse eine realitätsnahe Beschreibung der Mechanismen von Redoxreaktionen, die – wie einige der Co-Autoren zeigten – frei von einigen dieser ist Die blinden Flecken der bekannten Ideologie der Oxidationsstufen werden beispielsweise bei der Beschreibung eines Phänomens namens „Sauerstoffredox“ aufgedeckt, das für die Entwicklung von Metallionenbatterien mit hoher Kapazität aktiv erforscht wird.
Auf Elektronendichte basierende Methoden bilden auch den Kern der computergestützten Materialwissenschaften, insbesondere die weit verbreitete Methode namens DFT (Dichtefunktionaltheorie), mit der Materialstrukturen, Eigenschaften und Mechanismen von Phänomenen berechnet werden. Leider ist die DFT-Methode, wie sie derzeit in Anwendungen verwendet wird, zu rechenintensiv, um sie auf realistischen Längenskalen anzuwenden.
Es sind die jüngsten Entwicklungen bei dichtetopologiebasierten Methoden in Kombination mit maschinellem Lernen, darunter auch die einiger Mitautoren, die in naher Zukunft groß angelegte DFT-Simulationen und Analysen von Reaktionsmechanismen, Anregungen durch Licht usw. ermöglichen sollten .aus einem rein elektronendichtebasierten Gerüst.
Die von einem internationalen Team verfasste Rezension wurde von Forschern des Institute of Science Tokyo (Sergei Manzhos und Manabu Ihara vom Ihara-Manzhos-Labor) geleitet und umfasste Mitarbeiter aus Kanada (Paul Ayers von der McMaster University und Cherif Matta von der Mount Saint Vincent University). ), China (Samantha Jenkins von der Hunan Normal University) und den USA (Michele Pavanello von der Rutgers University). Das Projekt brachte auch bedeutende Beiträge von jungen Forschern, Daniel Koch vom kanadischen INRS und Xuecheng Shao von der Rutgers University.
Der Aufsatz von Koch und seinen Mitarbeitern ist mehr als nur ein Überblick über ein Fachgebiet. Er verbindet die Punkte zwischen Teilgebieten, die sich größtenteils parallel entwickelt haben, und zeigt vielversprechende Richtungen für zukünftige Forschung auf, die eine realistischere Berechnung und ein realistischeres Verständnis von Materie und Phänomenen ermöglichen.
Weitere Informationen:
Daniel Koch et al., The Analysis of Electron Densities: From Basics to Emergent Applications, Chemische Rezensionen (2024). DOI: 10.1021/acs.chemrev.4c00297
Bereitgestellt vom Institute of Science Tokyo