Розрахунок відносної діелектричної проникності Родаміну 6G квантово-механічним методом
Анотація
Актуальність. У статті описано квантово-механічной метод розрахунку діелектричної проникності органічних молекул на прикладі добре вивченої молекули Родаміну 6G. Вивчення оптичних властивостей великих органічних молекул вимагає не тільки експериментальних даних, а й використання розрахунків, отриманих як аналітичним, так і чисельним шляхом.
Мета. Методи розрахунку діелектричної проникності як феноменологічної характеристики зразка повинні бути перевірені на добре вивчених молекулах, щоб надалі застосовуватися до більш складних нелінійних структур. Однак інтегральні зміни хвильових функцій великих молекул необхідно апроксимувати.
Матеріал і методи. Чисельне моделювання в MATLAB було проведено для порівняння з даними Gaussian 09, які є точними для таких не великих молекул, як Rhodamine 6G. У MATLAB було розраховано значення діелектричної проникності для частотних областей, що відповідають поглинанню та флуоресценції, на основі золотого правила Фермі. Отже, будь-яку молекулу можна представити як складну квантовомеханічну систему. У Gaussian 09 був використаний метод DFT для визначення діелектричної проникності.
Результати. Золоте правило Фермі можна застосувати завдяки представленню молекули як складної квантовомеханічної системи. Запропоновані чисельні методи мінімізують похибку за допомогою дельта-функції Дірака. Згідно з нашою гіпотезою, сума хвильових функцій частинки в потенційній ямі та частинки в кільці дорівнює хвильовій функції всієї системи, що дає можливість досліджувати великі молекули. В результаті розрахунку для двох довжин хвиль 337 та 573 нм, результати діелектричної проникності обчислені за допомогою запропонованого метода в МАТЛАБ дорівнювали 2,98 та 6,27, відповідно. Ці самі параметри обчислені за допомогою Gaussian 09 дорівнювали 2,85 та 6,23.
Висновок. Порівняння результатів показує високий ступінь відповідності між наборами даних. Отже, гіпотеза та вибір методу були вірними. Посилення люмінесценції можна досягти зміною часу релаксації збудженого стану. Плазмонні наноструктури із заздалегідь визначеними властивостями можуть керовано посилювати результуюче поле на квадрат модуля суперпозиції їх ближнього поля. Отже, умови для висококогерентного випромінювання з високою інтенсивністю та поляризацією можна передбачити та розрахувати до експериментів.
Завантаження
Посилання
Sabnis RW. Handbook of fluorescent dyes and probes: Sabnis/handbook of fluorescent dyes and probes. 1st ed. Nashville, TN: John Wiley & Sons; 2015.
Christie RM. Fluorescent dyes. Handbook of textile and industrial dyeing. 562–87; 2011.
Sauer M, Hofkens J, Enderlein J. Handbook of fluorescence spectroscopy and imaging: from ensemble to single molecules. John Wiley & Sons; 2010.
Zehentbauer FM, Moretto C, Stephen R, Thevar T, Gilchrist JR, Pokrajac D, et al. Fluorescence spectroscopy of Rhodamine 6G: concentration and solvent effects. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. 2014;121:147–51. http://doi.org/10.1016/j.saa.2013.10.062
Magde D, Wong R, Seybold PG. Fluorescence quantum yields and their relation to lifetimes of rhodamine 6G and fluorescein in nine solvents: improved absolute standards for quantum yields. Photochem Photobiol. 2002;75(4):327–34. http://doi.org/10.1562/0031-8655(2002)0750327fqyatr2.0.co2
Gavrilenko VI, Noginov MA. Ab initio study of optical properties of rhodamine 6G molecular dimers. J Chem Phys. 2006;124(4):044301. http://doi.org/10.1063/1.2158987
Chapman M, Euler WB. Rhodamine 6G structural changes in water/ethanol mixed solvent. J Fluores. 2018;28(6):1431–7. http://doi.org/10.1007/s10895-018-2318-0
On C, Tanyi EK, Harrison E, Noginov MA. Effect of molecular concentration on spectroscopic properties of poly(methyl methacrylate) thin films doped with rhodamine 6G dye. Opt Mater Express. 2017;7(12):4286. http://doi.org/10.1364/ome.7.004286
Novoa-Ortega E, Dubnicka M, Euler WB. Structure-Property Relationships on the Optical Properties of Rhodamine Thin Films. J Phys Chem C. 2020;124(29):16058–68. http://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c05139
Mullen M, Euler WB. The influence of interfacial effects on the photophysics of rhodamine 6G thin films on a poly(vinylidene fluoride) surface. Langmuir. 2017;33(9):2194–204. http://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b00144
Liu W-L, Bassett WP, Christensen JM, Dlott DD. Emission lifetimes of a fluorescent dye under shock compression. J Phys Chem A. 2015;119(44):10910–6. http://doi.org/10.1021/acs.jpca.5b09695
Popov P, Steinkerchner L, Mann EK. Molecular dynamics study of rhodamine 6G diffusion at n-decane–water interfaces. Physical Review E. 2015;91(5):053308. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.053308
Brown KE, Fu Y, Shaw WL, Dlott DD. Time-resolved emission of dye probes in a shock-compressed polymer. J Appl Phys. 2012;112(10):103508. http://doi.org/10.1063/1.4765687
Curtis AD, Banishev AA, Shaw WL, Dlott DD. Laser-driven flyer plates for shock compression science: launch and target impact probed by photon Doppler velocimetry. Rev Sci Instrum. 2014;85(4):043908. http://doi.org/10.1063/1.4871361
Watanabe H. Hayazawa N, Inouye Y, Kawata S, DFT vibrational calculations of rhodamine 6G adsorbed on silver: analysis of tip-enhanced Raman spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry B. 2005;109(11):5012–5020. https://doi.org/10.1021/jp045771u
Zhou P. Why the lowest electronic excitations of rhodamines are overestimated by time‐dependent density functional theory. International Journal of Quantum Chemistry. 2018; 118(23): e25780. https://doi.org/10.1002/qua.25780
Lower SK, El-Sayed MA. The triplet state and molecular electronic processes in organic molecules. Chemical Reviews 1966; 66(2): 199-241. https://doi.org/10.1021/cr60240a004
Pastore M, Fantacci S, De Angelis F. Modeling excited states and alignment of energy levels in dye-sensitized solar cells: successes, failures, and challenges. The Journal of Physical Chemistry C. 2013;117(8):3685-3700. https://doi.org/10.1021/jp3095227
Slanina T, Oberschmid T. Rhodamine 6g radical: A spectro (fluoro) electrochemical and transient spectroscopic study. ChemCatChem. 2018;10(18):4182–4190. https://doi.org/10.1002/cctc.201800971
Venkateswarlu P, George MC, Rao YV, Jagannath H, Chakrapani G, Miahnahri A. Transient excited singlet state absorption in Rhodamine 6G. Pramana. 1987;28:59–71. https://doi.org/10.1007/BF02846809
Jian W, Beloshenko KS, Makarovskiy M, Riabenko I, Shulga S, Prokhorenko S Resonance light absorption of granular aluminium and silver films placed on a rough sublayer of multilayered ZnS. Ukrainian journal of physical optics. 2019;(20):10–15. https://doi.org/10.3116/16091833/20/1/10/2019
Zheng Y, Beloshenko KS, Makarovskiy M, Guliyova Y, Shulga S, Wojnarowska R, et al. Study of plasma frequency for Al-In alloys with different concentrations. Ukrainian journal of physical optics. 2017;(18):225–231. https://doi.org/10.3116/16091833/18/4/225/2017
Fabian J, Hartmann H. Light absorption of organic colorants: theoretical treatment and empirical rules. Berlin‐Heidelberg‐New York: Springer‐Verlag. 1980. https://doi.org/10.1002/prac.19823240223
Berger R. Computational chemistry. Introduction to the theory and applications of molecular and quantum mechanics. By Errol G. lewars. Angew Chem Int Ed Engl. 2004;43(38):4979–80. http://doi.org/10.1002/anie.200485057
Nagakura, S., & Baba, H. Dipole moments and near ultraviolet absorption of some monosubstituted benzenes—The effect of solvents and hydrogen bonding. Journal of the American Chemical Society. 1952;74(22):5693-5698. https://doi.org/10.1021/ja01142a040
Afsar MN, Birch JR, Clarke RN, Chantry GW. The measurement of the properties of materials. Proceedings of the IEEE, 1986;74(1):183-199. https://doi.org/10.1109/PROC.1986.13432
Landau LD, Lifshitz EM, Pitaevskii LP. Electrodynamics of continuous media. 2nd ed. Oxford, England: Butterworth-Heinemann; 1984.
Engerholm GG, Luntz AC, Gwinn WD, Harris DO. Ring Puckering in Five‐Membered Rings. II. The Microwave Spectrum, Dipole Moment, and Barrier to Pseudorotation in Tetrahydrofuran. The Journal of Chemical Physics. 1969;50(6):2446-2457. https://doi.org/10.1063/1.1671401
Braak D, Mannhart J. Fermi’s golden rule and the second law of thermodynamics. Foundations of Physics, 2020;50(11): 1509-1540. https://doi.org/10.1007/s10701-020-00380-2
Adler SL. Quantum theory of the dielectric constant in real solids. Physical Review. 1962;126(2):413. https://doi.org/10.1103/PhysRev.126.413
Norambuena A, Tancara D, Coto R. Coding closed and open quantum systems in MATLAB: applications in quantum optics and condensed matter. European Journal of Physics, 2020 ;41(4): 045404. https://doi.org/10.1088/1361-6404/ab8360
Frisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB, Scuseria GE, Robb MA, Cheeseman JR, et al. Gaussian 09, Revision D. 01, Gaussian, Inc., Wallingford CT [Internet]. [cited 2009] Available from: http://www.gaussian.com
Hoffmann, Roald. How chemistry and physics meet in the solid state. Angewandte Chemie International Edition in English 1987; 26(9): 846-878. https://doi.org/10.1002/anie.198708461
Shimomura O, Yampolsky I. Bioluminescence: Chemical principles and methods (third edition): Chemical Principles and Methods. Shimomura O, Yampolsky IV, editors, Singapore: World Scientific Publishing; 2019.
Kubo R, Toyozawa Y. Application of the method of generating function to radiative and non-radiative transitions of a trapped electron in a crystal. Progress of Theoretical Physics. 1955;13(2):160-182. https://doi.org/10.1143/PTP.13.160
Demtröder W. Laser spectroscopy: Vol. 2: Experimental techniques. 4th ed. Berlin, Germany: Springer; 2008.
Ageev LA, Miloslavsky VK, Elshhab HI, Blokha VB. Educational experiments and demonstrations in optics. Kharkiv: KhNU; 2000. 176–178 p. (In Russian).
Ejuh, GW, Abe MO, Nya FT, Ndjaka JMB. Prediction of electronic structure, dielectric and thermodynamical properties of flurbiprofen by density functional theory calculation. Karbala International Journal of Modern Science. 2018;4(1):12-20. https://doi.org/10.1016/j.kijoms.2017.10.001
Tang Z, Chang C, Bao F, Tian L, Liu H, Wang M, Zhu C, Xu J. Feasibility of Predicting Static Dielectric Constants of Polymer Materials: A Density Functional Theory Method. Polymers. 2021;13(2):284. https://doi.org/10.3390/polym13020284
Kreibig U, Vollmer M. Optical properties of metal clusters. 1995th ed. Berlin, Germany: Springer; 2013.
RCWA Solver Introduction – Ansys Optics [Internet]. [cited 2019, updated 2023] Available from: https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/4414575008787-RCWA-Solver-Introduction
Kitazawa T, Kitahara R, Yamagiwa T, Chakarothai J, Y. Hayashi and T. Kasuga. Basic Study on a Novel FDTD Method Implemented Frequecy Dispersion of PCB. 2021 IEEE International Joint EMC/SI/PI and EMC Europe Symposium, Raleigh. North Carolina, USA; 2021. p.580. https://doi.org/10.1109/EMC/SI/PI/EMCEurope52599.2021.9559370
Muller JM, Brunie N, Dinechin F, Jeannerod CP, Joldes M, Lefèvre V, et al. Handbook of floating-point arithmetic. Basel, Switzerland. Birkhäuser; 2018
Lax PD. Gibbs Phenomena. J Sci Comput 2006;28:445–449. https://doi.org/10.1007/s10915-006-9075-y
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
