Címoldal. A pályázat és a pályamő azonosítója Szerzıdés száma HEF_06_1-HAT_EL_T OMFB-01495/2006. Munkaszakasz száma. A beszámolási idıszak kezdete

Hasonló dokumentumok
Folyadékfázisú relaxációs folyamatok tanulmányozása a szolvatált elektron modelljének kvantum molekuladinamikai szimulációjával.

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

Kondenzált fázisú kvantum molekuladinamikai vizsgálatok a hidratált elektron modelljén keresztül

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Komplex rendszerek vizsgálata hibrid QM/MM molekuladinamikai szimulációkkal

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Általános és szervetlen kémia 3. hét Kémiai kötések. Kötések kialakítása - oktett elmélet. Lewis-képlet és Lewis szerkezet

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

LINDAB perforált profilokkal kialakítható önhordó és vázkitöltı homlokzati falak LINDAB BME K+F szerzıdés 1/2. ütemének 1. RÉSZJELENTÉS-e 11.

Átmenetifém-komplexek ESR-spektrumának jellemzıi

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Számítógépek és modellezés a kémiai kutatásokban

Kémiai reakciók sebessége

CAD-CAM-CAE Példatár

BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM

Atomok és molekulák elektronszerkezete

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

Kolloidkémia 5. előadás Határfelületi jelenségek II. Folyadék-folyadék, szilárd-folyadék határfelületek. Szőri Milán: Kolloidkémia

Felhasználói tulajdonú főtési rendszerek korszerősítésének tapasztalatai az Öko Plusz Programban

Kutatási terület. Szervetlen és szerves molekulák szerkezetének ab initio tanulmányozása

Megbízások teljesítésére vonatkozó politika - FORDÍTÁS -

Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások Definíciók

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

? ligandum kötés konformációs változás aktiválási energia számítás pka számítás kötési energiák

A kémiai kötés magasabb szinten

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

A biomassza, mint energiaforrás. Mit remélhetünk, és mit nem?

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

Öntött Poliamid 6 nanokompozit mechanikai és tribológiai tulajdonságainak kutatása. Andó Mátyás IV. évfolyam

Reakciókinetika és katalízis

Fejér megye Integrált Területi Programja 2.0

Összefoglalók Kémia BSc 2012/2013 I. félév

Kémiai reakciók. Közös elektronpár létrehozása. Általános és szervetlen kémia 10. hét. Elızı héten elsajátítottuk, hogy.

Szerves oldott anyagok molekuláris spektroszkópiájának alapjai

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

Célkitűzés/témák Fehérje-ligandum kölcsönhatások és a kötődés termodinamikai jellemzése

A hőterjedés dinamikája vékony szilikon rétegekben. Gambár Katalin, Márkus Ferenc. Tudomány Napja 2012 Gábor Dénes Főiskola

Modellezési esettanulmányok. elosztott paraméterű és hibrid példa

CAD-CAM-CAE Példatár

Direkt rendszerek. A direkt rendszerben az elnyelés, tárolás, leadás egy helyen történik.

Az anyagi rendszerek csoportosítása

Javaslat a "Szekszárdi 1. sz. Óvoda Wosinsky épületének energetikai korszerősítése (KEOP ) címő pályázat benyújtásának jóváhagyására

Ergonómia alapok. Hardy

Páradiffúzió a határolószerkezeteken át

Új Magyarország Fejlesztési Terv Környezet és Energia Operatív Program

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

KÚTFŐ projekt mit is végeztünk?

Poliaddíció. Polimerek kémiai reakciói. Poliaddíciós folyamatok felosztása. Addíció: két molekula egyesülése egyetlen fıtermék keletkezése közben

Degenerált állapotok és nemadiabatikus folyamatok molekuláris rendszerekben

Szépmővészeti Múzeum térszint alatti bıvítése: A projekt idıt befolyásoló kockázatok értékelése. Készítette: Kassai Eszter Rónafalvi György

20. hét - A szimuláció, RP

Vízóra minıségellenırzés H4

Projekttervezés alapjai

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

Termodinamikai bevezető

Kötések kialakítása - oktett elmélet

HATÁROZAT-TERVEZET. Mór Város Önkormányzatának /2009.(IV.29.) Kt. határozata szociális szolgálattervezési koncepciójának felülvizsgálatáról

TERMÉKEK MŐSZAKI TERVEZÉSE Megbízhatóságra, élettartamra tervezés I.

MTA DOKTORI ÉRTEKEZÉS

Kinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

AZ ÉGHAJLATI ELEMEK IDİBELI ÉS TÉRBELI VÁLTOZÁSAI MAGYARORSZÁGON PÁROLGÁS, LÉGNEDVESSÉG, KÖD, FELHİZET

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Elektronegativitás. Elektronegativitás

1.7. Felületek és katalizátorok

KÖRNYEZETI FENNTARTHATÓSÁGI SEGÉDLET. ÚMFT-s. építési beruházásokhoz. 1.0 változat augusztus. Szerkesztette: Kovács Bence.

Radon a környezetünkben. Somlai János Pannon Egyetem Radiokémiai és Radioökológiai Intézet H-8201 Veszprém, Pf. 158.

Projektfeladatok 2014, tavaszi félév

Egy ESCO vállalat pozícionálása és folyamatfejlesztése

Fermi Dirac statisztika elemei

FELÜLETI FESZÜLTSÉG. Jelenség: A folyadék szabad felszíne másképp viselkedik, mint a folyadék belseje.

Összefoglaló - Jármőipari biztonságtechnikai szakmai nap

Fényérzékeny molekulák, fényenergia hasznosítás

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

Faanyagok modifikációja_06

Absztrakt feltöltése az ITDK 2013 konferenciára

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Kolloidkémia 5. Előadás Kolloidstabilitás. Szőri Milán: Kolloidkémia

Számítógépes szimulációk: molekuláris dinamika és Monte Carlo

A hegesztési eljárások áttekintése. A hegesztési eljárások osztályozása

Különböző öntészeti technológiák szimulációja

KERÁMIATAN I. MISKOLCI EGYETEM. Mőszaki Anyagtudományi Kar Kerámia-és Szilikátmérnöki Tanszék. gyakorlati segédlet

1D multipulzus NMR kísérletek

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

A környezetszennyezés folyamatai anyagok migrációja

Ipar. Szent Korona Értékrend

Az ÓBUDAI EGYETEM NORMATÍV KUTATÁSTÁMOGATÁS FELHASZNÁLÁSI SZABÁLYZATA

dinamikai tulajdonságai

Nagy létesítmények használati melegvíz készítı napkollektoros rendszereinek kapcsolásai

SZABOLCS-SZATMÁR-BEREG MEGYE INNOVÁCIÓS

E L İ T E R J E S Z T É S

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

Átírás:

Címoldal A pályázat és a pályamő azonosítója Szerzıdés száma Munkaszakasz száma A beszámolási idıszak kezdete A beszámolási idıszak vége HEF_06_1-HAT_EL_T OMFB-01495/006 1. 006. november 1. 007. október 31. A projektvezetı neve A projekt címe A projekt honlapjának címe Túri László Határfelületeken lejátszódó elektrontranszfer jelenségek szimulációs vizsgálata, alkalmazások az ózonlyuk képzıdésére és szén nanocsövekre http://phys.chem.elte.hu/turi/turikut_ov.html 1

. Tartalomjegyzék 1. Címlap 1. Tartalomjegyzék.... 3. Vállalt részfeladatok listája és státusza.. 3 4. Az elkészült feladatok és eredmények bemutatása 7 5. Az beszámolási idıszakban elkészült publikációk listája.14 6. Összefoglaló a tervezett és tényleges költségekrıl 15 7. Monitoring adatszolgáltatás...17 8. A kutatás-fejlesztésben részt vevı személyek megnevezése.18

3. A beszámolási idıszakra vállalt feladatok listája és státusza Részfeladat sorszáma Részfeladat megnevezése Részfeladat teljesítésének felelıse Részfeladat kezdete és vége Részfeladat tervezett költsége (eft) Részfeladat hoz igényelt támogatás (eft) A részfeladat státusza 1. Vízklaszter anionok szerkezeti és dinamikai tulajdonságainak vizsgálata. Az elektrontranszfer folyamatok modellezése a vízklaszter anionok tanulmányozásán keresztül. Túri László 006.10.18-007.06.30 3570 1400 Végrehajtva 1.1 Vízklaszter anionoknak a sztratoszférában történı képzıdése mechanizmusának vizsgálata számítógépes szimulációk segítségével. Az ózonlyuk képzıdés kiindulási lépéseinek vizsgálata. Végrehajtva 1.1.1 Vízklaszter anionok semleges vízklaszterekbıl és egy lassú elektronból kiinduló relaxációs trajektóriáinak generálása kvantum molekuladinamikai szimulációkkal alacsony hımérséklető vízklaszterekben (szilárd klaszterek). Túri László 006.10.18-007.0.8. 400 150 Végrehajtva 1.1. Vízklaszter anionok semleges klaszterekbıl és egy lassú elektronból kiinduló relaxációs trajektóriáinak generálása kvantum molekuladinamikai szimulációkkal szobahımérséklető vízklaszterekben (folyadék halmazállapotú klaszterek). Túri László 006.11.01-007.0.8. 400 150 Végrehajtva 1.1.3 Az 1.1.1 és 1.1. lépésben generált trajektóriák analízise, a trajektóriák értelmezése az ózonlyuk képzıdési mechanizmusának szempontjából. Túri László 007.03.01-007.04.30. 50 100 Végrehajtva 3

1.1.4. Extra elektron lokalizációjának vizsgálata jég-levegı határfelületen kvantum molekuladinamikai szimulációk végrehajtásával. Túri László 006.11.01-007.0.8. 400 150 Végrehajtva 1.1.5. Extra elektron lokalizációjának vizsgálata víz-levegı határfelületen kvantum molekuladinamikai szimulációk végrehajtásával folyadék halmazállapotú felületen. Túri László 006.11.01-007.0.8. 400 150 Végrehajtva 1.1.6. A 1.1.4. és 1.1.5. lépésben generált trajektóriák analízise. 1.. Elektrontranszfer folyamatok modellezése vízklaszter anionokban. Vízklaszter anionok állapotfüggı reaktivitása hatásának vizsgálata az ózonlyuk képzıdésének folyamatára. A vízklaszter anionokban lejátszódó elektrontranszfer és a biológiai rendszerekben lezajló elektrontranszfer folyamatok kapcsolatának felderítése. Túri László 007.03.01-007.04.30. 50 100 Végrehajtva Végrehajtva 1..1 Vízklaszter anionok esernyı mintavételezési technikával generált molekuladinamikai szimulációi eredményeinek analízise, az elektronnak a klaszterhez viszonyított elhelyezkedését jellemzı szabadenergia-profil megalkotása különbözı mérető klaszterekben a hımérséklet függvényében. Túri László 007.0.01-007.03.31. 400 00 Végrehajtva 1... A vízklaszter anionok tulajdonságainak implikációi felderítése az elektrontranszfer reakciók vonatkozásában, a vízklaszter anionokban történı elektrontranszfer sebességének megbecsülése az elektrontranszfer folyamatokra vonatkozó általános Túri László 007.04.01-007.06.30. 400 100 Végrehajtva 4

összefüggések segítségével. A modell biokémiai kapcsolódási pontjainak vizsgálata, értelmezése. 1..3. Esernyı mintavételezési szimuláció végrehajtása az elektronnak a vízfelületrıl a tömbfázisba juttatása modellezésére. Túri László 007.01.01-007.03.31. 400 00 Végrehajtva 1..4. Az 1..3. pontban generált trajektóriák analízise, az elektronnak a határfelülethez viszonyított elhelyezkedését jellemzı szabadenergia-profil megalkotása, értelmezése. Túri László 007.04.01-007.06.30. 70 100 Végrehajtva. A határfelületi elektronállapotok manipulációja sík hordozókra, szén nanocsövekre felvitt folyadékfilmekben. Túri László 007.07.01-007.10.31 110 400 Végrehajtva.1. Elektron lokalizációjának kvantum molekuladinamikai szimulációja grafit felületre felvitt vízfilmben. A vízfilm vastagságának a lokalizációra gyakorolt hatásának vizsgálata. Túri László 007.07.01-007.08.31. 400 150 Végrehajtva.. A.1. lépésben generált trajektóriák analízise. Túri László 007.09.01-007.10.31. 00 50 Végrehajtva.3. Szén nanocsövek és egy extra elektron viselkedésének (szerkezet, energetika, dinamika) kvantum molekuladinamikai szimulációja víz jelenlétében. Túri László 007.07.01-007.08.31. 400 150 Végrehajtva 5

.4. A.3 lépésben generált trajektóriák analízise, technológiai hasznosítás lehetıségének mérlegelése. Túri László 007.09.01-007.10.31. 10 50 Végrehajtva. Összesen részfeladat Túri László 006.10.18-007.10.31. 4780 1800 Végrehajtva 6

4. Az elkészült feladatok és eredmények bemutatása 1. Vízklaszter anionok szerkezeti és dinamikai tulajdonságainak vizsgálata. Az elektrontranszfer folyamatok modellezése a vízklaszter anionok tanulmányozásán keresztül. 1.1. Vízklaszter anionoknak a sztratoszférában történı képzıdése mechanizmusának vizsgálata számítógépes szimulációk segítségével. Az ózonlyuk képzıdés kiindulási lépéseinek vizsgálata. 1.1.1. Vízklaszter anionok semleges vízklaszterekbıl és egy lassú elektronból kiinduló relaxációs trajektóriáinak generálása kvantum molekuladinamikai szimulációkkal alacsony hımérséklető vízklaszterekben (szilárd klaszterek). 1.1.. Vízklaszter anionok semleges klaszterekbıl és egy lassú elektronból kiinduló relaxációs trajektóriáinak generálása kvantum molekuladinamikai szimulációkkal szobahımérséklető vízklaszterekben (folyadék halmazállapotú klaszterek). 1.1.3. Az 1.1.1 és 1.1. lépésben generált trajektóriák analízise, a trajektóriák értelmezése az ózonlyuk képzıdési mechanizmusának szempontjából. 1.1.4. Extra elektron lokalizációjának vizsgálata jég-levegı határfelületen kvantum molekuladinamikai szimulációk végrehajtásával. 1.1.5. Extra elektron lokalizációjának vizsgálata víz-levegı határfelületen kvantum molekuladinamikai szimulációk végrehajtásával folyadék halmazállapotú felületen. 1.1.6. A 1.1.4. és 1.1.5. lépésben generált trajektóriák analízise. A vizsgálat során n=0, 30, 45, 66, 104, 00, és 500 vízmolekulából álló semleges klaszter viselkedését szimuláltuk egy felesleg elektron jelenlétében T = 100 K, 00 K és 300 K hımérsékleten kvantum molekuladinamikai szimulációk segítségével. A munka eredményei alapján megállapítottuk, hogy egyensúlyi semleges vízklaszterek és lassú elektronok ütközése során az extra elektron minden esetben a klaszter felületén lokalizálódik, a klaszter dipólusmomentumának irányában. Az elektron kezdeti (a molekulafürt relaxációja elıtti) stabilizációjának mértéke erısen korrelál a semleges molekulafürt dipólusmomentumának nagyságával, s ez megjelenik az extra elektron eloszlásának sugarában. A felületen végbement kezdeti lokalizációt a hımérséklet és klaszter méretének függvényében követik további relaxációs lépések. A legalacsonyabb hımérséklető (T=100 K, 00 K) kevert kvantumosklasszikus molekula-dinamikai szimulációk eredményei azt mutatják, hogy a felületen lokalizálódott felesleg elektron a továbbiakban a felületen relaxálódik, és nem képes a klaszter belsejébe hatolni. Ez a következtetés arra utal, hogy a sarki sztratoszféra felhıkben létrejövı parányi jégkristályok minden bizonnyal felületi állapotban stabilizálják az UV fény hatására keletkezı elektronokat, melyek aztán az ózonréteg bomlását elıidézı kiindulási lépésekben vesznek részt. A felesleg elektronok felületi állapotai egyébként várakozásaink szerint reaktívabbak, mint az úgynevezett belsı állapotok, melyekben az elektronok a klaszter belsejében lokalizálódnak. Magasabb hımérsékleten (T=300 K) a legkisebb klaszter méretek esetén még mindig a felületi állapotok stabilabbak, azonban a méret növelésével a belsı állapotok fokozatosan válnak stabilabbá, s az n=500-as méretnél az elektron spontán módon bediffundál a klaszter belsejébe, ahol egy oldószerüregben stabilizálódik.

16 14 1 10 r/å 8 6 4 0 5000 10000 15000 0000 t/fs 1. ábra. Egy jellemzı relaxációs trajektória n=500 molekulából álló klaszter és egy felesleg elektron kölcsönhatásakor T=300 K hımérsékleten. A folytonos görbe a klaszter sugarát mutatja, míg a szimbólumok a klaszter tömegközéppontjának az elektroneloszlás tömegközéppontjától való távolságát jelzik. A csökkenı tendencia jelzi az elektron diffúzióját a klaszter belsejébe. A negatívan töltött klaszterek határeseteként munkánk során elvégeztük különbözı állapotú víz/levegı határfelületeken stabilizálódó extra elektron szerkezeti, energetikai és dinamikai tulajdonságainak tanulmányozását. Hasonlóan a negatívan töltött klaszter anionok viselkedéséhez, a hımérséklet döntı szerepet játszik az elektron lokalizációs módjának meghatározásában. Ezt támasztják alá 300 K hımérséklető víz/levegı határfelületen, 00 K hımérséklető túlhőtött víz/levegı határfelületen, 00 K hımérséklető jég/levegı határfelületen és 100 K hımérséklető amorf jég/levegı határfelületen elvégzett szimulációink eredményei is. Bár az összes esetben az elektron kezdeti lokalizációja a felületen történik, a 300 K hımérséklető vízfelület esetén az elektron a tömbfázis belsejébe vándorol, s ott stabilizálódik. A hımérséklet csökkentése a felületi állapot fennmaradását segíti elı. Így az összes további vizsgált esetben (00 K hımérséklető túlhőtött víz/levegı határfelületen, 00 K hımérséklető jég/levegı határfelületen és 100 K hımérséklető amorf jég/levegı határfelületen) a felesleg elektron a felület részecskéivel létrehozott kölcsönhatásai segítségével stabilizálódik, és a szimuláció idıtartama alatt (100-00 ps) a felületen marad. A jelenség oka természetesen lehet a termodinamikai stabilitás, de lehet a kinetikai gátlás is. Ezeket a lehetıségeket a projekt következı részében analizáltuk. A szerkezeti tulajdonságok közül megemlítendı, hogy a 00 K hımérséklető jég/levegı határfelületen a jégfelület legfelsı két-három molekulát tartalmazó rétege elvesztette eredeti rendezettségét, megolvadt, s hasonlóvá vált a túlhőtött víz/levegı határfelülethez. 8

. ábra. Egy relaxált felesleg elektron eloszlása 00 K hımérséklető túlhőtött víz/levegı határfelületen, a felület irányából tekintve. Az elektroneloszlást jellemzı felület az elektron valószínőségi eloszlásának 80 %-át tartalmazza. 3. ábra. Egy relaxált felesleg elektron eloszlása 00 K hımérséklető Ih jég/levegı határfelületen, a felületre merıleges irányból (felsı ábra), valamint a felület irányából tekintve (alsó ábra). Az elektroneloszlást jellemzı felület az elektron valószínőségi eloszlásának 80 %- át tartalmazza. 9

1. Elektrontranszfer folyamatok modellezése vízklaszter anionokban. Vízklaszter anionok állapotfüggı reaktivitása hatásának vizsgálata az ózonlyuk képzıdésének folyamatára. A vízklaszter anionokban lejátszódó elektrontranszfer és a biológiai rendszerekben lezajló elektrontranszfer folyamatok kapcsolatának felderítése. 1..1. Vízklaszter anionok esernyı mintavételezési technikával generált molekuladinamikai szimulációi eredményeinek analízise, az elektronnak a klaszterhez viszonyított elhelyezkedését jellemzı szabadenergia-profil megalkotása különbözı mérető klaszterekben a hımérséklet függvényében. 1... A vízklaszter anionok tulajdonságainak implikációi felderítése az elektrontranszfer reakciók vonatkozásában, a vízklaszter anionokban történı elektrontranszfer sebességének megbecsülése az elektrontranszfer folyamatokra vonatkozó általános összefüggések segítségével. A modell biokémiai kapcsolódási pontjainak vizsgálata, értelmezése. 1..3. Esernyı mintavételezési szimuláció végrehajtása az elektronnak a vízfelületrıl a tömbfázisba juttatása modellezésére. 1..4. Az 1..3. pontban generált trajektóriák analízise, az elektronnak a határfelülethez viszonyított elhelyezkedését jellemzı szabadenergia-profil megalkotása, értelmezése. A vízklaszter anionok területén végzett korábbi vizsgálataink során arra a következtetésre jutottunk, hogy a fentiekben elvégzett szimulációk nem adnak pontos információt az elektron kétféle lokalizációs módjának megfelelı klaszterek termodinamikai stabilitásáról. Azokban a klaszterekben, melyek szimulációi során az extra elektron a belsı állapotból spontán módon átmegy a felületi állapotba, valószínősíthetı, hogy nem létezik stabil belsı állapotú klaszter anion. Azon klaszterek esetén azonban, ahol a szimuláció nem eredményezett ilyen átmenetet, nem zárhatjuk ki azt a lehetıséget, hogy a klaszter rendelkezik stabil felületi állapottal is. A két állapot relatív stabilitásának megítéléséhez feltétlenül szükséges egy megfelelı termodinamikai állapotfüggvény, például a szabadenergia kiszámítása. A probléma megoldására alkalmas szimulációs technika jól ismert az irodalomban. A két állapotot összekötı változó (reakciókoordináta) mentén, az úgynevezett esernyı mintavételezési technika alkalmazásával megkonstruálható a két állapotot összekötı folyamat szabadenergia-profilja. A módszer lényege, hogy a szimulációban a vizsgált rendszer dinamikáját egy külsı potenciál alkalmazásával a reakciókoordináta egy kiválasztott régiójára korlátozzuk. A reakciókoordináta lépésrıl-lépésre történı megváltoztatásával egy szimuláció sorozatot hajtunk végre, mely a reakciókoordináta diszkrét értékei mentén összeköti a két vizsgált állapotot. A szimuláció sorozat eredményeibıl számítható ki a reakciókoordináta mentén a szabadenergia-függvény. A potenciál alakja harmonikus, az elektronnak az egyik állapotból (például a felületi állapotból) a másik állapotba (a belsı állapotba) történı átmenetét jellemzı reakciókoordináta r(s) egy elıre meghatározott ξ 0 érték körül fluktuál: 1 ( ( ) U = k r S ) ξ ξ 0 0 Az r(s) reakciókoordinátát, mely az S oldószer-konfiguráció függvénye, az elektron tömegközéppontja és a vízklaszter tömegközéppontja távolságaként definiáljuk. A 4. ábrán két számított szabadenergia-profil látható az n=45 vízklaszter anionokra két hımérsékleten. Az ábrán a kis reakciókoordináta értékek a belsı állapotnak, a nagy értékek a felületi állapotnak felelnek meg. Az ábra világosan mutatja, hogy míg alacsony hımérsékleten a potenciál két minimummal (metastabil belsı és stabil felületi állapottal) rendelkezik, addig szobahımérsékleten a belsı állapot minimuma eltőnik. Ez az észlelés teljesen konzisztens az 1.1 feladat szimulációinak eredményével. 10

40 30 A/(kJ/mol) 0 10 0-10 0 4 6 8 10 r/å 80 70 60 A/(kJ mol -1 ) 50 40 30 0 10 0 0 4 6 8 10 r/å 4. ábra. Az n=45, T=100 K (felsı ábra) és az n=45, T=300 K (alsó ábra) vízklaszter anionok szabadenergia-profilja. Nagyobb klaszterek esetén még magasabb hımérsékleten is stabilak maradhatnak a belsı állapotok, mint azt az 5. ábra illusztrálja az n=00 vízklaszter anionra 300 K hımérsékleten. Mindazonáltal, a szabadenergia-profil a felületi állapotok stabilitását jósolja nagyobb klaszterekre is. Mielıtt a következı részben a nagy mérető klaszterek felületi állapotaival kapcsolatos elızetes eredményeket ismertetnénk, érdemes megvizsgálni az 5. ábra szabadenergia-profiljának implikációit. Ez a profil ugyanis erıs hasonlóságot mutat az elektrontranszfer reakciók értelmezésében alkalmazott szabadenergia-görbékkel. A két minimum megfeleltethetı az elektrontranszfer donor centrumának és akceptorának. A hasonlóság alapján a vízklaszter anionokat az elektrontranszfer folyamatok egyszerő modelljének javasoljuk. A formai hasonlóságon túl azonban a vízklaszterekben lezajló elektrontranszfer lépések felderítése hozzájárulhat az élı szervezetekben lejátszódó throughspace típusú elektrontranszfer folyamatok molekuláris mechanizmusának megértéséhez is. Ilyen irányban tett vizsgálataink folyamatban vannak. 11

30 0 A/(kJ/mol) 10 0 0 4 6 8 10 r/å 5. ábra. Az n=00, T=300 K vízklaszter anion szabadenergia-profilja. A felesleg elektronnak végtelen kiterjedéső, különbözı állapotú víz/levegı határfelületeken lejátszódó elektronátlépésének modellezésére szintén végrehajtottunk szabadenergia számításokat. Az esernyı mintavételezési eljárás azonban ezekben a nagy mérető rendszerekben már nagyon költséges, ezért figyelmünk hatékonyabb szabadenergia számítási módszerek felé fordítottuk. Jelen pillanatban dolgozunk az irodalomból korábban már ismert perturbációs szabadenergia számítások és egy mozgatott esernyı potenciál kombinálásán. A módszer lényege, hogy a szimuláció során a rendszer egyik jellemzı állapotának (például belsı elektron állapot) megfelelı Hamilton operátort gyakorlatilag végtelen lassan átváltoztatjuk a másik állapotra (felületi elektron állapot) jellemzı Hamilton operátorrá, mégpedig egy esernyı potenciál folyamatos, lassú mozgatásával. A módszer nagyon ígéretes, s elsı eredményeink azt jelzik, hogy mind a 300 K hımérséklető víz/levegı határfelület esetén, mind a 00 K hımérséklető túlhőtött víz/levegı határfelület esetén a belsı állapotok termodinamikailag stabilak. Ennek megfelelıen az elektron a túlhőtött felületen csak egy metastabil állapotban lokalizálódhat. Ezen állapot kialakulásának feltételeit jelenleg is vizsgáljuk. A feladathoz kapcsolódóan megkezdtük a gerjesztett állapotok relaxációjának szerepe vizsgálatát az elektron transzfer folyamatában. Kiindulási pontunk az extra elektron gerjesztett állapota megszőnésének sebességére vonatkozó, a Fermi-féle aranyszabályból kiinduló, az elektronállapot relaxációjának sebességére vonatkozó új formalizmusunk alkalmazása volt. A formalizmus alkalmazásával megmutattuk, hogy az egyensúlyi, gerjesztett állapotú belsı állapotban stabilizálódott elektron élettartama drámaian csökken az idıkorrelációs függvények kvantumos korrekciójának hatására. A kvantumosan korrigált élettartamok jóval 100 fs alatt találhatók. Eredményeink szerint tehát az egyensúlyi alapállapotból elsı gerjesztett állapotba juttatott elektron relaxációja során a gerjesztett állapot elektroneloszlásához adaptálódó folyadék relaxációja dominál. A folyadék relaxációja során a két elektronállapot közötti energiakülönbség folyamatosan csökken, s ez egyre gyorsuló elektronátmenetet okoz. A gerjesztett állapot azonban gyakorlatilag nem kerül egyensúlyba, addigra az alapállapotba történı elektronátmenet befejezıdik. A módszer felületi állapotokra történı alkalmazása folyamatban van. 1

. A határfelületi elektronállapotok manipulációja sík hordozókra, szén nanocsövekre felvitt folyadékfilmekben..1. Elektron lokalizációjának kvantum molekuladinamikai szimulációja grafit felületre felvitt vízfilmben. A vízfilm vastagságának a lokalizációra gyakorolt hatásának vizsgálata... A.1. lépésben generált trajektóriák analízise..3. Szén nanocsövek és egy extra elektron viselkedésének (szerkezet, energetika, dinamika) kvantum molekuladinamikai szimulációja víz jelenlétében..4. A.3 lépésben generált trajektóriák analízise, technológiai hasznosítás lehetıségének mérlegelése. A határfelületi elektronállapotok manipulációját egy modell felületre felvitt vízréteg és egy felesleg elektron kölcsönhatásának molekuladinamikai szimulációjával vizsgáltuk. Hordozórétegnek grafit felületet választottunk, s erre a felületre vittünk fel változó vastagságú vízfilmet. A molekuladinamikai szimuláció legkényesebb eleme a korábbiakhoz képest az elektron és a szénatomok kölcsönhatását adó pszeudopotenciál megválasztása. Mivel a megfelelı pontosságú grafit-elektron pszeudopotenciál kidolgozása jelentıs erıfeszítést igényel, elsı közelítésben egy ad hoc modell potenciál segítségével adtuk meg a szénatomelektron potenciális energia operátort. A potenciál nem tartalmaz elektrosztatikus komponenst, csak a pszeudopotenciál elmélet alapján bevezetett atomtörzs taszítást, illetve a kicserélıdési kölcsönhatást. A potenciál alakja rendkívül egyszerő, s ez lehetıvé teszi a sík hordozó-elektron kölcsönhatás késıbbi módosítását is. Munkánk során egy egyszerő paraméterezett alakkal (mely megegyezett a víz-elektron pszeudopotenciál taszítási és kicserélıdési tagjának összegével) elvégzett szimuláció sorozatban, T=300 K hımérsékleten azt találtuk, hogy az elektron lokalizációs módja érzékeny a felületre helyezett vízmolekulák számára. Az olyan rendszerekben, melyekre a klasszikus (felesleg elektron nélküli) szimulációk vékony folyadékréteget jósoltak, a vízmolekulák az elektron körül eltorzult klaszterszerő képzıdményeket alakítottak ki, melyek belsı állapotban kötik meg a felesleg elektront. A vízmolekulák számának növelésével a perturbáció egyre inkább szétterül a hordozón, s a víz gyakorlatilag egyenletes filmréteget alkot ~10 Å vastagságnál hidratált elektron (belsı állapot) létrehozásával. Ezek szerint a véges mérető klaszterek esetén észlelt felületi állapotok nem jöttek létre szimulációinkban. A projekt utolsó részfeladatában különbözı mérető szén nanocsövek és egy extra elektron kölcsönhatását vizsgáltuk tömbfázisú vízben. Sajnos szimulációs kísérleteink negatív eredményt hoztak. Számos szimuláció sorozatot elvégezve (különbözı mérető nanocsövek alkalmazásával) sem találtunk olyan esetet, melyben az elektront a nanocsövek belsejében tudtuk volna lokalizálni. A jelenség azonban mindenképp további vizsgálatokat érdemel meg. Nagyon fontos feladat a nanocsövek elektronszerkezetének pontos figyelembe vétele az elektron-szénatom kölcsönhatási potenciál megalkotásakor. További lehetıségként merül fel a probléma teljes ab iníció Car-Parinello molekuladinamikai módszerrel történı vizsgálata, melynek elıkészületeit már megtettük. 13

5. A beszámolási idıszakban elkészült publikációk listája A projekthez kapcsolódó közlemények 1. Madarász, Á.; Rossky, P. J. ; Turi L. Excess Electron Relaxation Dynamics at Water/Air Interfaces J. Chem. Phys., 007, 16, 34707. Impakt faktor:,998 (00-es adat). Borgis D.; Rossky, P. J.; Turi L. Nuclear quantum effects on the non-adiabatic decay mechanism of an excited hydrated electron J. Chem. Phys., 007, publikálásra elfogadva. Impakt faktor:,998 (00-es adat) A projekthez kapcsolódó elıadások, konferenciaelıadások 3. Turi, L. Excess Electrons in Water: Clusters, Interfaces and the Bulk (meghívott szeminárium), a Hunter College, Department of Chemistry szokásos félévi elıadássorozatán, Hunter College, Department of Chemistry, New York City, 007. március. 4. Turi, L. Excess Electrons in Water: Clusters, Interfaces and the Bulk (meghívott elıadás) American Physical Society March Meeting, 007. március 7., Denver, USA, 007. 5. Turi, L. Felesleg elektronok víz/levegı határfelületeken (meghívott elıadás) Tudomány Napja, MTA, Budapest, 007. október 30. 14

6. Összefoglaló a tervezett és tényleges költségekrıl 1. Vízklaszter anionok szerkezeti és dinamikai tulajdonságainak vizsgálata. Az elektrontranszfer folyamatok modellezése a vízklaszter anionok tanulmányozásán keresztül. Részfeladat sorszáma Tervezett (igényelt) költség Tényleges költség 1.1.1 150 EFt 150 EFt 1.1. 150 EFt 150 EFt 1.1.3 100 EFt 100 EFt 1.1.4 150 EFt 150 EFt 1.1.5 150 EFt 150 EFt 1.1.6 100 EFt 100 EFt 1..1 00 EFt 00 EFt 1.. 100 EFt 100 EFt 1..3 00 EFt 00 EFt 1..4 100 EFt 100 EFt 1. feladat összesen 1400 Eft 1400Eft 15

. A határfelületi elektronállapotok manipulációja sík hordozókra, szén nanocsövekre felvitt folyadékfilmekben. Részfeladat sorszáma Tervezett költség Tényleges költség.1 150 EFt 150 EFt. 50 EFt 50 EFt.3 150 EFt 150 EFt.4 50 EFt 50 EFt. feladat összesen 400 EFt 400 EFt Az 1. és. feladatok tervezett és tényleges összes költsége1800 EFt volt. Indoklás Az igényelt támogatás a szerzıdés szerint a projektvezetı oktatási és kutatási munkájának ösztönzésére és színvonalának emelésére irányult (Személyi juttatás + járulékok). A kutatási programot maradéktalanul teljesítettem. A projekt eredményeit számszerősítı indikátorokat részben túl teljesítettem (lásd következı oldal). Mindezek alapján indokolt a teljes támogatás, mint költség felhasználása. 16

7. A beszámolási idıszakra vonatkozó monitoring mutatók A projekt eredményeit számszerősítı indikátorok, Tudományos közlemények száma Konferencia prezentációk száma K+F projektben résztvevı kutatók, oktatók száma K+F projektben résztvevı Ph.D hallgatók száma K+F projektben résztvevı diákköri vagy diplomamunkát készítı hallgatók száma 006 tervezett 006 tényleges 007 tervezett 007 tényleges 0 0 0 0 1 1 1 férfi 1 nı férfi 0 nı 1 férfi 1 nı férfi 0 nı 1 1 férfi 0 nı 1 férfi 1 nı 1 férfi 1 nı férfi 0 nı 1 férfi 1 nı 3 3 férfi 0 nı férfi 0 nı 1 0 férfi 1 nı 17

8. A kutatás-fejlesztésben részt vevı személyek megnevezése és a projekt teljesítésével eltöltött tényleges munkaideje A kutatás-fejlesztésben részt vevı személyek megnevezése és a projekt teljesítésével eltöltött tényleges munkaideje* Szakmai munkában részt Konzorciumi tag Feladatok (sorszám, Ráfordított idı (nap) vevı személyek (sorszám) munkaterv szerint) Túri László 1.1.1-1.1.6, 1..1-1..4,.1-.4 300 Daniel Borgis 1..1-1.. 50 Peter J. Rossky 1.1.1-1.1. 50 Madarász Ádám Ph.D. hallgató 1.1.1-1.1.6, 1..1-1..4,.1-.4 50 Mones Letif Ph.D. hallgató 1..1-1..4 50 Mones Letif hallgató 1.1.1,.1 100 Tóth Edina hallgató 1.1.1,.1 100 Összesen: Teljes munkaidıre átszámított kutatói létszám: 900.5 (fı) 18