КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-22-00171

НазваниеТеоретические и прикладные аспекты спектроскопии высокого разрешения нелинейных молекул в вырожденных электронных состояниях: Свободный радикал диоксид хлора O-Cl-O

РуководительУленеков Олег Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия

Ключевые слованелинейные молекулы в вырожденных электронных состояниях, положения, интенсивности, полуширины и сдвиги давлением спектральных линий, спектроскопия высокого разрешения

Код ГРНТИ29.29.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на решение одной из фундаментальных проблем физики микромира, связанной с получением новой физической информации как качественного, так и количественного характера о структуре и внутренних свойствах важного для приложений (в частности, исследование процессов, протекающих в Земной атмосфере - проблема сохранения озонового слоя Земли, проблем химической физики, высокоточного контроля производственных процессов и др.), но, вместе с тем, сложного для исследования класса нелинейных многоатомных молекул в вырожденных электронных состояниях (свободных радикалов) на примере молекулы OClO. Aктуальность выполняемых исследований обусловлена, с одной стороны, острой потребностью в высокоточной количественной информации о параметрах спектральных линий свободных радикалов типа асимметричного волчка в несинглетных электронных состояниях со стороны многочисленных как чисто академических, так и прикладных задач науки и техники, так и, с другой стороны, отсутствием в настоящее время в мировой практике гарантированно корректных методов анализа высокоточной экспериментальной информации о спектрах высокого разрешения такого типа молекул. С прикладной точки зрения выбор в качестве объекта исследования именно диоксида хлора объясняется важностью информации о свойствах спектров этого молекулярного объекта для исследования такой важной проблемы современности, с которой столкнулось человечество в последние годы, как проблема сохранения (предотвращение разрушения) озонового слоя Земли (см. далее). Говоря об академическом аспекте проблемы, следует заметить, что молекулярная спектроскопия высокого разрешения, будучи к настоящему времени высокоразвитым разделом современной физики, позволяет получать высокоточную информацию о структуре и свойствах различного типа молекул, как качественно, так и количественно превосходящую аналогичную информацию, которую можно получать другими методами. Такие возможности являются следствием как возможностей современного эксперимента в регистрации высокоточных спектров высокого разрешения микроволнового, инфракрасного и видимого диапазонов шкалы длин волн, так и, в значительной степени, чрезвычайно высокого уровня современной теории колебательно-вращательных взаимодействий в многоатомных молекулах различного типа. Однако, среди различных многоатомных молекул имеется, по крайней мере один тип молекул, для которых вплоть до настоящего времени имеются существенные пробелы в теоретическом обосновании и, как следствие, в методах обработки и получения высокоточной физической информации из современных экспериментальных спектров высокого разрешения. К такого типа молекулам относятся свободные радикалы нелинейных молекул в несинглетных (дублетных/триплетных) электронных состояниях, в которых наличие несвязанных электронов приводит к эффектам спин-вращательных и спин-колебательных взаимодействий. Следует заметить, что вплоть до настоящего времени теория спин-вращательных взаимодействий в нелинейных молекулах базируется не на строгой квантово-механической (математической) основе, а носит скорее феноменологический характер, являясь по сути дела обычной компиляцией, с одной стороны, общих принципов спин-вращательных взаимодействий в двухатомных молекулах (связи по Гунду; см., например, Ландау, Лифшиц, Квантовая механика, ГИФМЛ, 1963) и, с другой стороны, результатов, полученных на основе анализа свойств традиционного гамильтониана Уотсона (Watson, J Chem Phys, 1967, v. 46, p. 1935–1949) для нелинейных молекул. Вместе с тем, уже выполненный недавно авторами проекта совместно с коллегами из Швейцарии и Германии (Ulenikov, Bekhtereva, Gromova, Quack, Berezkin, Sydow, Bauerecker, Phys Chem Chem Phys, 2021, v.23, p. 4580-4596) строгий квантово-механический анализ (электронных-) спин-колебательно-вращательных взаимодействий даже для одного изолированного колебательного состояния (100) свободного радикала ClO2 показал, что полученные на этой основе результаты по точности и предсказательной способности превосходят известные до сих пор лучшие аналогичные результаты (см., Ortigoso, Escribano, Burkholder, Lafferty, J. Mol. Spectrosc., 1991, v. 148, p. 346-370; 1992, v. 155, p. 25-73) в десятки раз. Имея в виду, с одной стороны, потребности многочисленных приложений и, с другой стороны, необходимость и (что важно) возможность развить предложенный в (Ulenikov, Bekhtereva, Gromova, Quack, Berezkin, Sydow, Bauerecker, Phys Chem Chem Phys, 2021, v.23, p. 4580-4596) подход на возбужденные колебательные состояния (в том числе и учесть различные резонансные взаимодействия), а также распространить предложенный подход на исследование абсолютных интенсивностей, полуширин и сдвигов давлением линий нелинейных свободных радикалов в несинглетных электронных состояниях, можно констатировать значимость и актуальность решения обозначенной проблемы. Возвращаясь к прикладным аспектам рассматриваемой проблемы и выборе в качестве объекта применения и тестирования корректности и эффективности получаемых общих результатов именно молекулы ClO2, следует отметить следующие обстоятельства. (1) Как было отмечено Молина и Роуландом еще 20 лет назад (Molina, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1996, v. 35, p. 1778-1785; Rowland, 1996, v. 35, p. 1786-1798), оксиды хлора играют чрезвычайно важную роль в разрушении стратосферного озонового слоя через каталитический цикл ClOOCl + hv --> ClOO + Cl; ClOO --> Cl + O2; Cl + O3 --> ClO + O2. При этом, хотя ОClO и не вовлечен напрямую в этот цикл, он является весьма значимым резервуаром, который и «используется» природой при реализации указанного выше цикла в соответствие с процессами OClO + hv --> ClO + O и OClO + hv --> ClOO. (2) Диоксид хлора – это окислитель, который широко используется в целлюлозно-бумажной промышленности и успешно применяетсяв течение многих десятилетий для улучшения качества питьевой воды. (3) Диоксид хлора один из наиболее эффективных быстродействующих дезинфицирующих средств, способных к устранению бактерий, вирусов, биопленок, плесени и спор. Он является более эффективным вирицидом, чем хлор, а его функции как антимикробного противовирусного препарата делают его очень мощным, но, в то же время, существенно более «мягким» по отношению к объекту применения (по сравнению с альтернативными) дезинфицирующим средством. Весьма актуальной (хотя и не до конца очевидной) является роль OClO как мощного дезинфицирующего средства в плане борьбы с пандемией короновируса COVID-19 (ClinicalTrials.gov, Determination of the Effectiveness of Oral Chlorine Dioxide in the Treatment of COVID 19, https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04343742, 2020, online; accessed 12 October 2020). НОВИЗНА выполняемых в рамках проекта исследований определяется (как уже отмечалось выше), прежде всего тем, что в мировой практике, несмотря на острую потребность в высокоточной количественной информации о параметрах спектральных линий свободных радикалов типа АСИММЕТРИЧНОГО волчка в несинглетных электронных состояниях со стороны многочисленных как чисто академических, так и прикладных задач науки и техники, в мировой практике до сих пор отсутствует гарантированно корректный (не феноменологический, а основанный на корректном квантово-механическом подходе) метод анализа высокоточной экспериментальной информации о спектрах высокого разрешения такого типа молекул. Все лежащие в основе разрабатываемого метода теоретические подходы являются либо новыми, либо существенным усовершенствованием известных. Все исследования реальных спектров высокого разрешения носят комплексный характер и выполняются либо в ранее не исследованных для рассматриваемых изотопологов молекулы ClO2 спектральных диапазонах, либо позволяют существенно улучшить и расширить имеющуюся в мировой литературе на данный момент информацию.

Ожидаемые результаты
По итогам выполнения проекта предполагается получить следующие результаты: 1). Будет разработана модель эффективного гамильтониана нелинейной молекулы в дублетном электронном состоянии, в том числе и для высоковозбужденных колебательных состояний при наличии резонансных взаимодействий. 2). Будет разработана модель эффективных дипольных моментов для системы взаимодействующих посредством резонансов спин-колебательно-вращательных полос нелинейного свободного радикала в дублетном электронном состоянии. 3). На этой основе будут разработаны алгоритмы и созданы программы на языке Fortran для решения как прямых, так и обратных зада по определению спектроскопических энергетических параметров и параметров эффективных дипольных моментов и абсолютных интенсивностей линий различных колебательно-вращательных полос молекул исследуемого типа. 4). Будут выполнены комплексные экспериментальные исследования (положения, интенсивности, полуширины и сдвиги давлением линий, соответствующих спин- колебательно-вращательным переходам) спектров высокого разрешения молекулы ClO2 и ее изотопологов в районе их фундаментальных, обертонных и комбинационных полос до 2 мкм. 5). На основе развиваемого подхода, будет выполнен анализ полученной экспериментальной информации. Научная значимость выполняемых исследований, коррелируя с актуальностью проблемы, обусловлена, с одной стороны, острой потребностью в высокоточной количественной информации о параметрах спектральных линий свободных радикалов типа асимметричного волчка в несинглетных электронных состояниях со стороны многочисленных как чисто академических, так и прикладных задач науки и техники, так и, с другой стороны, отсутствием в настоящее время в мировой практике гарантированно корректных методов анализа высокоточной экспериментальной информации о спектрах высокого разрешения такого типа молекул. С прикладной точки зрения выбор в качестве объекта исследования именно диоксида хлора объясняется важностью информации о свойствах спектров этого молекулярного объекта для исследования такой важной проблемы современности, с которой столкнулось человечество в последние годы, как проблема сохранения (предотвращение разрушения) озонового слоя Земли (см. далее). Говоря об академическом аспекте проблемы, следует заметить, что молекулярная спектроскопия высокого разрешения, будучи к настоящему времени высокоразвитым разделом современной физики, позволяет получать высокоточную информацию о структуре и свойствах различного типа молекул, как качественно, так и количественно превосходящую аналогичную информацию, которую можно получать другими методами. Такие возможности являются следствием как возможностей современного эксперимента в регистрации высокоточных спектров высокого разрешения микроволнового, инфракрасного и видимого диапазонов шкалы длин волн, так и, в значительной степени, чрезвычайно высокого уровня современной теории колебательно-вращательных взаимодействий в многоатомных молекулах различного типа. Однако, среди различных многоатомных молекул имеется, по крайней мере один тип молекул, для которых вплоть до настоящего времени имеются существенные пробелы в теоретическом обосновании и, как следствие, в методах обработки и получения высокоточной физической информации из современных экспериментальных спектров высокого разрешения. К такого типа молекулам относятся свободные радикалы нелинейных молекул в несинглетных (дублетных/триплетных) электронных состояниях, в которых наличие несвязанных электронов приводит к эффектам спин-вращательных и спин-колебательных взаимодействий. В качестве ближайшей перспективы, развиваемый в данном проекте подход для корректного учета спин-колебательно-вращательных взаимодействий в дублетных электронных состояниях молекул типа асимметричного волчка может (с определенными изменениями) быть успешно применен для исследования соответствующих эффектов в молекулах типа асимметричного волка в триплетных электронных состояниях.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---