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新的计算模型使核磁共振成为研究人员的更强大

更新时间:2020-09-13 16:59点击:

  美国能源部艾姆斯实验室的科学家们开发了一种新的计算模型,这使他们开发最强大的研究工具之一的潜力更大。

新的计算模型使核磁共振成为研究人员的更强大

  化学家的武器库中特别重要的工具是核磁共振(NMR)光谱。NMR光谱仪测量原子核对射频波激发的响应。这可以为研究人员提供有关材料(包括非晶体材料)的物理,化学和电子特性的原子级信息。动态核极化(DNP)NMR是NMR的“超”版本,它激发自由基中未成对的电子并将其高自旋极化转移到被分析样品的核中,从而产生更快,更详细的数据。艾姆斯实验室已开发出DNP-NMR,可探测非常弱但重要的化学特征,并将实验时间从数天缩短至数分钟。

  计算方法在专家对DNP-NMR的理解中起着重要作用,特别是对于改进使用DNP-NMR的实验的设计和执行而言。然而,到目前为止,这项工作的范围还很有限,DNP-NMR技术的改进往往依赖于某种程度的“偶然性”,Ames实验室的副科学家,DOE办公室的2020年接受者Fred Perras认为。科学早期职业研究奖。

  Perras说:“模拟DNP是一个复杂的问题。”他研究了改进NMR技术的方法,以追求Ames Laboratory在材料发现方面的重视。“这种复杂性来自您参与该过程的旋转次数非常多的事实。为了重现实验性增强并预测假设实验中将要发生的事情,您确实需要能够在与实验中的比例相同。”

  通常,这些计算将随着系统中的旋转次数成指数比例缩放。在典型的自旋动力学模拟中,最多只能旋转5至12次。计算机没有足够的内存来处理更大的事情。

  研究人员根据Perras排除了不必要且昂贵的术语,简化了仿真过程,从而使计算可以线性扩展,而不是指数级。新策略允许对具有数千个原子核的自旋系统进行全面模拟。

  模拟已经发现了未知的结构特征,该结构特征允许DNP-NMR中更多的信号增强,并且该理论将来将广泛应用于固体的各种化学研究。

  发表在《物理化学快报》上的论文 “魔角旋转动态核极化的全比例从头算模拟”进一步讨论了该研究。


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