Квантовохимические расчеты и анализ зависящей от времени дифракции фотоэлектронов конформеров органических молекул.

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

описание

Работа будет проведена в университете Гамбурга в центре Лазера на Свободных Электронах (CFEL, DESY) и в гамбургском центре Исследований Ультрабыстрых Изображений (CUI). Принимающий ученый - проф.др. Йохан Куппер (Физический факультет университета Гамбурга, jochen.kuepper@uni-hamburg.de). Выбор университета Гамбурга и гамбургского центра Исследований Ультрабыстрых Изображений (CUI): определяется высоким уровнем проводимых там фундаментальных междисциплинарных (физика, химия, биология) исследований и давними научными связями с рядом ученых работающих в CFEL (DESY), в CUI и в университете Гамбурга.
Проф.др. Йохан Куппер участвует в International Advisory Committee серий конференций – с 2017 г. - “International Symposium on Molecular Beams” (ISMB), с 2015 г. - “Conference on Femtochemistry” (FEMTO) 2012-2016 “Cold and Controlled Molecules” (ICCM). Его Scopus Author ID: 7005858248, h = 31. Ученые в гамбургском центре Исследований Ультрабыстрых Изображений получают глубокое понимание фундаментальных явлений, которое расширяет наше понимание физики, химии и биологии и приводит к новым применениям в медицине и разработке новых материалах для ключевых технологических областей (http://www.cui.uni-hamburg.de/en/about-us/was-wir-tun/).
Предлагаемый визит входит в часть работ группы проф. докт. Йохана Куппера по разделению конформеров достаточно сложных органических молекул в газовой фазе с помощью сильных электрических полей и дальнейшее изучение, и управление их ориентацией в пространстве. Ориентация молекул может быть определена с помощью метода фотоион-фотоэлектронных совпадений, спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния и другими методами (см., например, ссылки в прилагаемом файле GolovinAVPublicationsNIRpure2018.docx).
Целью настоящего проекта является расчет углового распределения фотоэлектронов при фотоионизации Cl2s атомных электронов в конформерах 3-хлорофенола (m-ClC6H4OH). Молекулы двух конформеров отличаются только расположением атома H (в OH группе) по отношению к атому хлора и бензольному кольцу, но, несмотря на это конформеры существенно отличаются по величине и направлению электрического дипольного момента. Это позволило в экспериментах центра Исследований Ультрабыстрых Изображений разделить их в пространстве. В предпоследний рабочий визит в CFEL, DESY (конец 2017 года, по программе DAAD) c помощью квантовохимической программы GAUSSIAN была оптимизирована геометрия обеих конформеров 3-хлорофенола, рассчитаны их комбинационные (рамановские) спектры, а также дипольные и квадрупольные моменты и поляризуемость. Далее в оптимизированной геометрии были проведены MSXalpha расчеты углового распределения фотоэлектронов (УРФ) при Cl2s фотоионизации этих конформеров. Расчеты показали достаточно большое различие угловых распределения фотоэлектронов для двух конформеров, что позволяет использовать метод фотоион-фотоэлектронных совпадений для изучения и определения ориентации в пространстве различных конформеров (как по отдельности, так и в их смеси).
В рамках планируемого трех-недельного визита (в октябре – ноябре 2018 г.) предполагается проведение MSXalpha расчетов для различных энергий фотонов и фотоэлектронов и различных ориентаций молекул относительно вектора поляризации фотонов. Целью данного визита является выбор наиболее оптимальных условий эксперимента, чтение лекции в Гамбурге и участие в написании статей. Результаты расчетов предполагается использовать при написании заявки для финансирования экспериментальных работ CUI по этому направлению и для публикации теоретического рассмотрения планируемых экспериментов в тезисах докладов международных конференций и в научных статьях. В случае удачного проведения экспериментального исследования (на временном интервале 2-3 года) предполагается написание экспериментальных статей, которые потребуют проведения экспериментов в Гамбурге и дополнительных расчетов на стадии обработки этих экспериментальных результатов.
Планируется работа со студентами и постдоками в центре Исследований Ультрабыстрых Изображений и, в конце визита, проведение лекции представляющей полученные результаты. Материалы, полученные в результате этого проекта, возможно, будут, использованы в курсе лекций "Методы электронной спектроскопии" для магистрантов кафедры фотоники. Ранее по материалам предыдущих поездок в этот курс были внесены изменения, касающиеся использования циркулярного и эллиптического излучения при расчетах углового распределения фотоэлектронов при фотоионизации молекул. Документы по изменениям курса были одобрены учебно-методической комиссией.

описание для неспециалистов

Целью настоящего проекта является расчет углового распределения фотоэлектронов при фотоионизации Cl2s атомных электронов в конформерах 3-хлорофенола (m-ClC6H4OH). Молекулы двух конформеров отличаются только расположением атома H (в OH группе) по отношению к атому хлора и бензольному кольцу, но, несмотря на это конформеры существенно отличаются по величине и направлению электрического дипольного момента. Это позволило в экспериментах центра Исследований Ультрабыстрых Изображений разделить их в пространстве. В предпоследний рабочий визит в CFEL, DESY (конец 2017 года, по программе DAAD) c помощью квантовохимической программы GAUSSIAN была оптимизирована геометрия обеих конформеров 3-хлорофенола, рассчитаны их комбинационные (рамановские) спектры, а также дипольные и квадрупольные моменты и поляризуемость. Далее в оптимизированной геометрии были проведены MSXalpha расчеты углового распределения фотоэлектронов (УРФ) при Cl2s фотоионизации этих конформеров. Расчеты показали достаточно большое различие угловых распределения фотоэлектронов для двух конформеров, что позволяет использовать метод фотоион-фотоэлектронных совпадений для изучения и определения ориентации в пространстве различных конформеров (как по отдельности, так и в их смеси).

основные результаты по проекту в целом

Данный проект является продолжением длительного сотрудничества с несколькими группами на ДЭЗИ и с Гамбургским университетом, которое включало предыдущие визиты Головина А.В. в 2011-2018 гг. в Гамбург и ответный визит аспиранта Дениса Аниелски в СПбГУ в 2012 году. Визиты финансировались по программе межвузовского обмена, программе G-RISC и DAAD.
Были прочитаны лекции для аспирантов и PhD сотрудников на тему ”Расчеты методом многократного рассеяния и анализ фотоэлектронной дифракции с разрешением по времени”. Была проведена научная работа и исследование возможностей этого метода для анализа экспериментальных данных получаемых в группах Проф. Проф.Др. Йохена Куппера, Проф.Др. Даниэля Роллеса и Др. Рольфа Трейша.
Были проведены расчеты трех атомных молекул OCS при нескольких вариантах межатомных расстояний.
При семи различных значениях энергий вылетающих электронах и при 12 различных углах расположения молекулы рассчитаны трехмерные распределения вылета электронов при F1s фотоионизации молекул CH3F линейно поляризованным светом.
Были проведены расчеты углового распределения электронов для anti конформера молекулы ICH2CH2I с целью планирования экспериментов по разделению различных конформеров.
Подготовлена и послана в EJP D статья по угловым распределениям вылета электронов при фотоионизации CO молекул при различной эллиптической поляризации ионизующего излучения. В настоящее время статья находится на стадии рецензирования.
Ранее по материалам, представленным в этой статье, были внесены изменения в курс лекций "Методы электронной спектроскопии" для магистрантов кафедры фотоники. Изменения касаются использования циркулярного и эллиптического излучения при фотоионизации молекул. В отличие от случая линейной поляризации (представимой одним линейным вектором электрического поля) эллиптическая поляризация представляется двумя векторами со сдвигом фаз. В случае циркулярной поляризации этот сдвиг фаз составляет +/-90 градусов. Выведены формулы связывающие сдвиг фаз и вектор направления света с измеряемыми в эксперименте параметрами Стокса. Изменения в курсе были одобрены в учебно-методической комиссии.
Короткий заголовокКвантовохимические расчеты дифракции фотоэлектронов органических молекул.
АббревиатураIMP 2018
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания19/11/189/12/18

Ключевые слова

  • фотоионизация
  • метод совпадений
  • молекулярные системы