Квантовохимические расчеты и анализ зависящей от времени дифракции конформеров бромфенолов

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. ( https://www.controlled-molecule-imaging.org/team/jochen_kuepper/)
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 = 33 (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=7005858248). 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.
Целью настоящего проекта является расчет углового распределения фотоэлектронов при фотоионизации Br(2s) атомных электронов в конформерах 3-бромфенола (m-BrC6H4OH). Молекулы двух конформеров отличаются только расположением атома H (в OH группе) по отношению к атому брома 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 последний рабочий визит в CFEL, DESY (начало 2019 года, по приглашению CUI Гамбургского университета) c помощью квантовохимической программы GAUSSIAN была оптимизирована геометрия обеих конформеров 3-бромфенола, рассчитаны их комбинационные (рамановские) спектры, а также дипольные и квадрупольные моменты и поляризуемость. Расчеты показали достаточно большое различие дипольных моментов 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).
Данный проект является продолжением длительного сотрудничества с несколькими группами на CFEL, DESY и с Гамбургским университетом, которое включало предыдущие визиты Головина А.В. в 2011-2019 гг. в Гамбург и ответный визит аспиранта Дениса Аниелски в СПбГУ в 2012 году. Визиты финансировались по программе межвузовского обмена, программам G-RISC, CUI 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 F(1s) 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. По результатам проведенных работ сделан доклад на International Conference on Many Particle Spectroscopy of Atoms, Molecules, Clusters and Surfaces (MPS, август 2018, Будапешт, см. Kupper_Golovin_MPS_2018_August_mfpad_poster.pdf). Ранее с коллегами из Гамбурга были сделаны два доклада на MPS-2016 и IWP- 2017 конференциях (см. BommeGolovinKuepperMPS_2016_Abstract.pdf, BommeGolovinKuepperIWPmarch2017PO-04Abstract.bmp, BommeGolovinKuepperIWPmarch2017Poster_A0.pdf)
Подготовлена и послана в European Physical Journal D статья по угловым распределениям вылета электронов при фотоионизации CO молекул при различной эллиптической поляризации ионизующего излучения. В настоящее время статья получила положительный отзыв рецензента и скорректированный текст (см. GolovinKuepper_MSXalpha_CO_revised.pdf) отослан обратно в редакцию.
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.

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. 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. Документы по изменениям курса были одобрены учебно-методической комиссией.

Во время данной поездки были проведены расчеты угловых распределений электронов для транс- и цис- конформеров бромфенолов при изменении энергии фотоэлектронов от 1 эВ (шаг 1 эВ) до 90 эВ и получены контурные диаграммы интенсивностей зависящие от энергии фотоэлектронов и от угла в плоскостях соответствующих молекул.
Головин А.В. участвовал в планировании, обсуждении и первоначальной настройки сверхзвуковых пучков конформеров для предстоящих экспериментах на ХАЗИлаб, ДЭЗИ.
Вышла из печати статья в EJP D статья по угловым распределениям вылета электронов при фотоионизации CO молекул при различной эллиптической поляризации ионизующего излучения.
Alexander V. Golovin, Denis Anielski, Sergei V. Gordeev, Vladimir M. Lagodinski, Yuri V. Chizhov, Jochen Küpper, Daniel Rolles
The effect of elliptical polarization in MSXα calculations of the molecular-frame photoelectron angular distributions of CO C(1s) ionization
The European Physical Journal D 73(7) • July 2019 
DOI: 10.1140/epjd/e2019-90534-1
Короткий заголовокКвантовохимические расчеты конформеров бромфенолов
АббревиатураExchange 2019_1
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания17/06/196/07/19

Ключевые слова

  • фотоионизация
  • метод совпадений
  • квантовохимические методы
  • молекулярные системы