Физики Томского госуниверситета Рашид Валиев и Глеб Барышников впервые разработали модель, по которой можно вычислить эффективность переноса энергии и заряда в наноматериалах из первых принципов. Она позволяет рассчитать, как будет осуществляться этот перенос, до синтеза материалов — это позволит сэкономить на экспериментах и быстрее разработать эффективное наноустройство.

Статья опубликована! в высокорейтинговом журнале Chemical Engineering Journal (Q1) уровня Nature Communication.

Модель также применили к одним из самых сложных объектов в квантовой химии — к большим молекулам, содержащих лантаниды. Исследователи рассчитали модель без каких-либо экспериментальных измерений и синтеза.

Даже сегодня моделирование электронных свойств одиночных ионов лантанидов — это настоящий челлендж для теоретической квантовой химии. Мало кто умеет это делать. Мы же вычислили эффективность или скорость переноса энергии между электронными состояниями различной мультиплетности молекулярных комплексов с лантанидами, что является уникальным моделированием, — объясняет старший научный сотрудник лаборатории квантовой механики молекул и радиационных процессов ТГУ Рашид Валиев.

Далее, поясняет Валиев, появился вопрос об апробировании этой модели. И этим занялись исследователи из Харбинского политехнического университета. Китайские коллеги провели ряд экспериментов с использованием этой модели и даже смогли разработать нанопреобразователи — специальные устройства, которые увеличивают эффективность перенос энергии между донором и акцептором в задачах биофотоники.

Так учёным удалось сэкономить на экспериментальной части: вместо того, чтобы закупать вещества и создавать материалы, тратя деньги, сотрудники китайского вуза на базе модели, созданной учеными ТГУ, заранее смогли увидеть, как именно наноматериалы будут работать эффективнее.

Они провели измерения для нашей модели. То, что мы предсказали, очень хорошо сходится с экспериментом. Наша модель работает. В дальнейшем ее можно применять в области разработки дизайна органических светодиодов — OLED, — добавляет Валиев.

Модель учёные будут применять не только в области биофотоники. Более того, говорит Рашид Валиев, с помощью этого расчета можно предсказывать характеристики любых нанодевайсов, где происходит процесс переноса энергии и заряда. Это могут быть органические солнечные батареи или, например, апконверсные наночастицы, они используются при биовизуализации тканей. Эта модель также будет полезна в задачах химии, где в реакциях требуется определить время переноса заряда в интермедиантах.

Работа проводилась в рамках гранта РНФ (17–73–20012).