Modelling novel resonant X-ray spectroscopy for transition metal biological complexes and nano-particles
模拟过渡金属生物复合物和纳米颗粒的新型共振 X 射线光谱
基本信息
- 批准号:1754398
- 负责人:
- 金额:--
- 依托单位:
- 依托单位国家:英国
- 项目类别:Studentship
- 财政年份:2016
- 资助国家:英国
- 起止时间:2016 至 无数据
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This is a theoretical proposal aiming at developing novel numerical approaches to describe quantum excitations and their out-of-equilbrium dynamics in materials and molecules. This project brings the complementary expertise from Dr Cedric Weber on quantum modeling approaches for molecular transition metal systems, and Dr Rafael T. M. de Rosales on functional nano-particles used in the context of medical imaging.Here, we will model the dynamics of a core-hole state induced in hard core X-ray spectroscopy, used to probe chemical and magnetic properties of molecules and nano-scopic systems.The student will develop a new modeling approach to describe typical X-ray spectroscopy methods, such as X-ray absorption spectroscopy (XAS) and extend the formalism to model resonant inelastic X- ray scattering (RIXS). A canonical system, photo-system II (PSII), will be considered throughout the project. PSII has been investigated for decades, but the mechanism underpinning the water-splitting mechanism is still lacking. The modeling difficulties stem from the non-trivial quantum physics induced by the transition metal atoms (the four Mn atoms), which require state-of-the-art approaches. The first set of theoretical techniques will be based on density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) [1], which accounts for the dynamic screening of the X-ray and the core-hole fields. In particular, a typical problem for TD-DFT is the presence of multiplets, and the student will explore extensions of DFT to obtain an accurate descriptions of multi determinantal effects in DFT [2]. The student will then extend the methodology to nano-scopic systems, and in particular focus on super pagramagnetic iron oxide nano-particles (SPIONs). SPIONs have a range of applications, in particular they are used as contrast agents in magnetic resonant imaging (MRI). In this project, the student will focus at understanding magnetic excitations in nano-particles, and how they could be resolved in the future via the RIXS technique. The relaxation of the magnetic moment of nano-particles is a complex out-of-equilibrium process, and there is a subtle interplay between the dynamics and the conformation properties. In particular, the quantum confinement stemming from their spatial reduction is expected to provide new and complex out-of-equilibrium properties, as the external magnetic field is quenched. There are many major unanswered questions, such as the role of the magnetic frustration induced by the broken bonds in the outer-layers, and the role of the ligand bonding between the core of the nano-particle and the coating. The purpose of the project is to guide the design of better contrast agents, via optimizing the magnetic relaxivities of the nano-particle. Indeed, a current limitation is that large nano-particles have optimal magnetic relaxivities, but tend to agglomerate due to surface effects, which hinders the relaxation of their magnetic moments and their application as contrast agents. We provide here a consistent theory based on quantum ab-initio simulations, including dynamical effects.This project is also connected to the construction of a new X-ray beam line at the Diamond Light Source facility, that will be key to probe excitations in these new materials, as well as in a wide range of molecules and other materials of importance in chemistry and bio-chemistry.
这是一个理论上的建议,旨在发展新的数值方法来描述量子激发和它们的不平衡动力学的材料和分子。这个项目带来了互补的专业知识,从博士塞德里克韦伯量子建模方法的分子过渡金属系统,和博士拉斐尔T。M.德罗萨莱斯在功能纳米粒子在医学成像的背景下使用。在这里,我们将模拟在硬核X射线光谱学,用于探测分子和纳米系统的化学和磁性诱导的核心空穴状态的动力学。学生将开发一种新的建模方法来描述典型的X射线光谱学方法,例如X射线吸收光谱(XAS),并将形式主义扩展到模型共振非弹性X射线散射(RIXS)。在整个项目中将考虑一个规范系统,即光系统II(PSII)。PSII已经研究了几十年,但仍然缺乏支持水分解机制的机制。建模困难源于过渡金属原子(四个Mn原子)引起的非平凡量子物理,这需要最先进的方法。第一组理论技术将基于密度泛函理论(DFT)和时间相关DFT(TD-DFT)[1],其解释了X射线和芯-空穴场的动态屏蔽。特别是,TD-DFT的一个典型问题是多重峰的存在,学生将探索DFT的扩展,以获得DFT中多重行列式效应的准确描述[2]。然后,学生将把方法扩展到纳米系统,特别是专注于超永磁氧化铁纳米颗粒(SPION)。SPION具有一系列应用,特别是它们用作磁共振成像(MRI)中的造影剂。在这个项目中,学生将专注于理解纳米粒子中的磁激发,以及如何通过RIXS技术在未来解决这些问题。纳米粒子磁矩的弛豫是一个复杂的失平衡过程,动力学和构象性质之间存在着微妙的相互作用。特别是,由于它们的空间减少而产生的量子限制预计将提供新的和复杂的非平衡性质,因为外部磁场被淬灭。有许多主要的未回答的问题,如在外层中的断裂键引起的磁阻挫的作用,以及纳米颗粒的核心和涂层之间的配体键合的作用。该项目的目的是通过优化纳米粒子的磁弛豫率来指导更好的造影剂的设计。实际上,目前的限制是大的纳米颗粒具有最佳的磁弛豫率,但是由于表面效应而倾向于聚集,这阻碍了它们的磁矩的弛豫和它们作为造影剂的应用。我们在此提供了基于量子从头算模拟的一致性理论,包括动力学效应。该项目还与钻石光源设施的新X射线光束线的建设有关,这将是探测这些新材料以及化学和生物化学中重要分子和其他材料的激发的关键。
项目成果
期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Super-exchange mechanism and quantum many body excitations in the archetypal hemocyanin/tyrosinase di-Cu oxo-bridge
原型血蓝蛋白/酪氨酸酶二铜氧桥中的超交换机制和量子多体激发
- DOI:10.48550/arxiv.1811.05739
- 发表时间:2018
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Al-Badri Mohamed Ali
- 通讯作者:Al-Badri Mohamed Ali
Superexchange mechanism and quantum many body excitations in the archetypal di-Cu oxo-bridge
典型二铜氧桥中的超交换机制和量子多体激发
- DOI:10.1038/s42005-019-0270-1
- 发表时间:2020
- 期刊:
- 影响因子:5.5
- 作者:Al-Badri M
- 通讯作者:Al-Badri M
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- DOI:10.1016/j.carbon.2020.12.032
- 发表时间:2021-04-15
- 期刊:
- 影响因子:10.9
- 作者:al-Badri, Mohamed Ali;Smith, Paul;Lorenz, Christian D.
- 通讯作者:Lorenz, Christian D.
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- 发表时间:2020
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Abdel-Maksoud K
- 通讯作者:Abdel-Maksoud K
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- DOI:10.1002/admi.202101236
- 发表时间:2021
- 期刊:
- 影响因子:5.4
- 作者:Al-Badri M
- 通讯作者:Al-Badri M
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