Новый метод квантовой химии объединяет физику и химию для изучения материалов

Исследователи из Чикагского университета разработали новый вычислительный подход, который объединяет два традиционно разделённых научных взгляда — физический и химический. Это позволит глубже изучить сложные материалы, от высокотемпературных сверхпроводников до полупроводников для солнечных батарей.

Рассчитанная энергетическая зонная структура для растянутой цепочки водорода (d=1.4 Å). Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65846-1

«Десятилетиями химики и физики использовали совершенно разные подходы к изучению материалов. Теперь мы создали строгий метод, который объединяет эти перспективы», — заявила старший автор работы Лаура Гальярди, профессор химического факультета и Притцкеровской школы молекулярной инженерии. «Это даёт нам новый инструментарий для понимания и, в конечном итоге, проектирования материалов с выдающимися свойствами».

Физики обычно рассматривают твёрдые тела через призму широких, повторяющихся зонных структур, в то время как химики фокусируются на локальном поведении электронов в конкретных молекулах или фрагментах. Однако многие важные материалы, такие как органические полупроводники, металлоорганические каркасы и сильно коррелированные оксиды, не укладываются ни в одну из этих картин.

«Точно описать электроны на отдельных фрагментах возможно, но тогда вы теряете общую картину того, как заряды движутся по материалу, — объяснил соавтор работы Дэниел Кинг. — Наш подход решает эту проблему: вы моделируете локальные фрагменты, но также учитываете, как электроны перескакивают между ними».

Новый метод основан на подходе «Локализованного активного пространства» (Localized Active Space, LAS), первоначально разработанного профессором Мэтью Хермесом. Расширив его на периодические твёрдые тела, команда создала гибридный метод, объединяющий локальную квантовую химию с глобальной зонной теорией. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

В качестве доказательства эффективности метода учёные применили его к нескольким сложным системам. Например, цепочки водорода, которые классические методы теории функционала плотности ошибочно классифицируют как металлы, в то время как более точные подходы указывают на их изоляторные свойства. Новый метод LAS смог правильно показать, как электроны в цепочках водорода обеспечивают эти свойства.

В другом примере команда использовала LAS для моделирования p-n перехода (области контакта полупроводников p- и n-типа) — фундаментального компонента солнечных элементов и компьютерных чипов. Метод показал, как заряды разделяются и движутся через переход при попадании на него света — процесс, который раньше было сложно детально описать.

«Как доказательство концепции, это первый шаг, — сказал аспирант Бхавнеш Джангид, соавтор работы. — Мы показали, что наш метод с высокой точностью отражает правильную физику. Теперь мы хотим интегрировать в этот подход другие передовые методы, чтобы продолжать его совершенствовать».

Исследователи видят в своём методе как инструмент для понимания существующих материалов, так и, в перспективе, для проектирования новых.

«В своей основе все материалы являются квантово-механическими, — отметил Дэниел Кинг. — Это элегантный шаг к тому, чтобы по-настоящему увидеть, как квантовая механика определяет свойства, которые мы используем в повседневной жизни».

Больше информации: Daniel S. King et al, Bridging the gap between molecules and materials in quantum chemistry with localized active spaces, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65846-1

Источник: University of Chicago