Сотрудники Волгоградского государственного университета и их швейцарский коллега из Университета Женевы разработали компьютерную программу, позволяющую моделировать динамику сверхбыстрого фотоиндуцированного переноса заряда. Моделирование реальных фотохимических процессов позволит устанавливать их детальный механизм, повысит эффективность фотокаталитических процессов, в частности искусственного фотосинтеза. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), результаты опубликованы в журналах Computer Physics Communications и The Journal of Physical Chemistry A.

Реакция фотоиндуцированного переноса электрона является одним из важнейших первичных процессов в фотосинтезе, она играет ключевую роль в фотокатализе, очень перспективных органических фотовольтаических устройствах (преобразователи солнечной энергии в электрическую), а также в зарождающейся и очень перспективной области – молекулярной электронике.

Основным современным инструментом исследования динамики химических превращений, в частности переноса электрона, является эксперимент, выполняемый по схеме накачка – зондирование. Для этого используется два коротких лазерных импульса: первый импульс (или импульс накачки) возбуждает молекулу, а второй представляет собой зондирующий широкополосный лазерный импульс и посылается с некоторой задержкой.

«Измеряемый в таких экспериментах спектр поглощения зондирующего импульса содержит информацию о происходящих в молекуле процессах, инициируемых импульсом накачки. Извлечение этой количественной информации возможно только в рамках некоторых моделей, достаточно точно описывающих динамику происходящих процессов. Представленный в нашей работе компьютерный код является инструментом для количественного анализа нестационарных спектров поглощения», — пояснил руководитель исследования, профессор Волгоградского государственного университета Анатолий Иванов.

Большинство существующих подходов к расчету нестационарных спектров поглощения импульсной энергии молекулой сталкивается либо с трудностями при описании динамики химического превращения, либо с невозможностью проведения расчетов на достаточно больших временах из-за большого объема вычислений. Эти недостатки делают описание динамики сверхбыстрых фотохимических процессов практически невозможным.

«Наш подход, основанный на стохастической модели, позволяет рассчитывать спектральную динамику на персональном компьютере за разумное время. Это обусловлено тем, что он максимально использует доступную экспериментальную информацию о рассматриваемой молекулярной системе и растворителе, сводя к минимуму объем расчетов, — рассказал Анатолий Иванов. — Эффективность данного подхода продемонстрирована на примере расчета нестационарных спектров перилиума в ацетонитриле и их соотнесения с экспериментальными данными».

Прикладное значение исследования волгоградских физиков самое широкое: от создания принципиально нового типа коммуникации до строительства солнечных электростанций, чьи энергопотери минимальны.