Elektrontranszfer folyamatok egyszerű modelljeinek tanulmányozása kvantum molekuladinamikai módszerekkel: víz- és metanolklaszter anionok, és negatívan töltött víz/levegő határfelületek = Quantum Molecular Dynamics Simulations of Simple Models for Electron Transfer Processes: Water and Methanol Cluster Anions, and Negatively Charged Water/Air Interfaces

摘要

Kutatásunk során egy felesleg elektron fizikai tulajdonságait vizsgáltuk vizes és metanolos közegben kevert kvantumos-klasszikus molekuladinamikai szimulációk alkalmazásával. Modelljeink magukba foglaltak véges méretű víz és metanol molekulafürtöket anionokat, víz-levegő határfelületen stabilizálódó felesleg elektront és tömbfázisú hidratált elektront. Megállapítottuk, hogy az elektron két alapvető módon stabilizálódhat: a vizsgált rendszer határfelületén, vagy annak belsejében. Az állapotok stabilitását a kísérletek fizikai körülményei határozzák meg, s ezektől függően elektrontranszfer folyamat mehet végbe a két lokalizációs mód között. A vizsgált rendszerek fizikai jellemzését elvégeztük, a kísérleti észlelésekre egy új, konzisztens magyarázattal szolgáltunk. A vizsgált modellekkel kapcsolatban az elektronállapotok közötti sugárzásmentes átmenetek sebességének számítására kidolgozott, a Fermi aranyszabályon alapuló kvantummechanikai formalizmusunk alkalmazásával megbecsültük a hidratált és metanolban szolvatált elektron gerjesztett állapotának élettartamát. Az eljárás további alkalmazásaként a hidratált elektron klasszikus módon számított optikai abszorpciós spektrumát is korrigáltuk. Eredményeink jó összhangban vannak a kísérleti tapasztalatokkal. | We examined the physical properties of excess electrons in water and methanol using mixed quantum-classical molecular dynamics simulations. The investigated systems included finite size water and methanol cluster anions, excess electrons stabilized on water/air interfaces, and the bulk hydrated electron. We found that excess electrons can stabilize in two localization modes in polar media: on the interface or in the interior of the examined system. The relative stability of the localization modes is determined by the experimental conditions. Depending on the conditions electron transfer can take place between the two localization modes. We performed the physical characterization of the examined systems, and gave a new and consistent interpretation of the experimental observations. In connection with the examined models, we developed a new quantum mechanical formalism for the description of the radiationless electronic transitions based on the Fermi golden rule. We applied the formalism to compute the excited state lifetime of an excess electron in water and methanol and, as a somewhat different application, the optical absorption spectrum of the hydrated electron. Our results are in good agreement with the experimental findings.