Ученые Томского политехнического университета разработали универсальный программный комплекс для исследований спектров молекул. Он умеет определять положение линий спектра и их абсолютные интенсивности даже в молекулах типа асимметричного волчка в несинглетных электронных состояниях — одного из наиболее сложных, с точки зрения математического описания, объектов. Полученные с помощью комплекса данные в несколько раз больше и в сотни раз точнее по сравнению с доступными сейчас. Эти заполнит «белые пятна» в знаниях о том, что происходит в молекулах.

Результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics (Q1, IF: 3,945).

Исследование проводилось с молекулами типа асимметричного волчка. Это один из классов молекул, объединяющий в себе десятки тысяч различных объектов. Считается, что они являются одними из наиболее сложных, с точки зрения математического описания, объектов. Ученые Томского политеха изучали спектры молекул в несинглетных (дублетных) электронных состояниях. Это специальный класс молекул, в которых несколько электронных состояний имеют одну и ту же энергию.

«В нормальных условиях все молекулы находятся в синглетном электронном состоянии, то есть количество электронов в них четное. У каждого электрона есть спин (собственный момент импульса частицы), который равен 1\2. При взаимодействии они компенсируют друг друга, и их суммарный спин равен нулю. У 99% молекул происходит именно так, и это значит, что энергия электронов в них может быть одной-единственной для этого электронного состояния. Для таких молекул хорошо развита теоретическая база, мы знаем, как их анализировать. Но есть небольшое количество молекул, и это особенно сложно для молекул типа асимметричного волчка, в которых число электронов нечетное. Суммарный спин электронов в них отличен от нуля. И, как следствие, получается, что электронное состояние несинглетное, а в нашем случае дублетное. Из-за этого появляется большое количество дополнительных эффектов, которые сильно осложняют описание картины мира», — отмечает один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Олег Уленеков.

В основе программного комплекса ROVDES лежит усовершенствованная модель математического описания молекул. По словам ученых вуза, вплоть до последнего времени для описания молекул исследователи использовали математические модели, которые учитывали эффекты центробежного искажения со спин-вращательными взаимодействиями (один из важных факторов исследования молекул) только до второго порядка малости. Политехники усовершенствовали эту модель и впервые учли более тонкие материи — эффекты третьего и четвертого порядка.

Разработка ученых Томского политеха универсальна для всех молекул и позволяет определять положение линий спектра и их абсолютные интенсивности. Это позволит в сотни раз улучшить точность результатов исследований молекул, а значит — количество и качество физической информации, которая может быть извлечена из экспериментов.

«Мы провели ряд экспериментов со спектрами высокого разрешения молекулы диоксида хлора. Исследования проводились совместно с зарубежными коллегами на уникальном Фурье-спектрометре. Нам удалось зарегистрировать больше двадцати тысяч спин-вращательных переходов. Это в разы больше по сравнению с результатами, доступными в литературе. Увеличение массива данных позволит лучше понять процессы, которые происходят в молекулах», — добавляет ученый.

Исследование поддержано Российским научным фондом.