Новый метод позволил оценить время жизни возбужденного состояния электронов в монооксиде углерода (СО). Это, в свою очередь, может позволить решить проблему быстрого распада (низкой стабильности) СО, имеющего особую роль в молекулярной медицине. Авторами исследования стали ученые ТГУ, АлтГТУ и АлтГУ. Они исследовали электронную структуру возбужденных состояний электронов в монооксиде углерода. В итоге предложен уникальный метод описания электронной структуры данного вещества с учетом изменений энергетических уровней. Научная статья о результатах исследования опубликована в журнале Solid State Communications издательства Elsevier.
Монооксид углерода выбран объектом исследования ввиду его значимости, в том числе, для производства лекарств. Так, CO играет особую роль в молекулярной медицине в качестве экспериментального и клинического средства лечения.
– Несмотря на достижения в области наноматериалов, выделяющих монооксид углерода, все еще не решены проблемы, связанные с их низкой стабильностью, плохой растворимостью, слабой управляемостью выделения, случайной диффузией и потенциальной токсичностью, – поясняет одна из авторов исследования, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории квантовой теории интенсивных полей ФФ ТГУ Наталия Мельникова.
Кроме нее, в исследовании принимали участие научные сотрудники АлтГТУ и АлтГУ Андрей Попов и Ольга Мельникова.
Тема является актуальной: последнее десятилетие ученые разных стран уделяют особое внимание малым кластерам — группам от двух до четырех атомов углерода и кислорода, обладающим высокой химической активностью. Формирование таких кластеров происходит, например, с помощью атомных пучков. Они обеспечивают высокую скорость формирования кластеров требуемой структуры и размеров, а также их быструю доставку к месту получения материала с заранее заданными свойствами. При этом имеет место цепь сложных неравновесных процессов, которая сильно зависит от внешних условий и режимов формирования кластеров. Чтобы подавить процесс объединения элементов в одну систему или распад кластеров, используется также лазерное излучение.
– По мере усложнения реакций синтеза становятся неэффективными экспериментальные методы поиска новых материалов — чаще всего путем проб и ошибок. Именно поэтому и возникает потребность в теоретическом исследовании процессов, которые происходят при формировании наноматериалов в условиях сильной неравновесности, – отмечает Наталия Мельникова.
Обычно теоретическое изучение электронной структуры проводится для вещества, находящегося в основном, равновесном, состоянии. Но не меньший интерес представляют метастабильные состояния. Они возникают в процессе синтеза материала — когда его помещают в сильное магнитное или электрическое поле. «В жизни» такие воздействия могут быть не особо существенными, но для синтеза они необходимы. Электроны в этом случае испытывают орбитальные переходы, приводящие к образованию возбужденных структур с различным временем жизни. Именно это добавляет существенные трудности как при теоретическом описании, так и при экспериментальном изучении происходящих процессов.
– Для наиболее полного и глубокого понимания того, что происходит в процессе синтеза новых материалов в условиях сильной неравновесности, необходимо теоретически описать электронную структуру открытых систем в полях, по интенсивности сопоставимых с полями внутри самих атомов, – подчеркивает Наталия Мельникова.
Одним из авторов исследования, Андреем Поповым, был разработан метод описания возбужденных состояний электронов в атомах и молекулах, а также в их комплексах, кластерах и кристаллах. Уникальный метод позволяет путем прямого решения уравнения Шредингера рассчитывать спектральные характеристики вещества. Основываясь на первых принципах квантовой механики, без введения каких-либо эмпирических параметров, оказалось возможным описывать образование метастабильных состояний в условиях сильной неравновесности с оценкой времени жизни этих состояний.
Работа выполнена при поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», в рамках научно-исследовательского проекта «Развитие научно-технологических основ медицинской экспресс-диагностики с использованием методов молекулярного имиджинга, внешних физических факторов и машинного обучения». Руководитель проекта — профессор кафедры оптики и спектроскопии физического факультета Валерий Тучин. Стартовал проект в конце марта 2022 года и завершился в конце 2024-го.