Beta karotinoido molekulės energijos relaksacijos aprašymas, naudojant nestacionarųjį variacinį metodą

Projekte bus tyrinėjama vienų iš pagrindinių molekulinių pigmentų – karotenoidų fotofizinės savybės. Karotinoidų molekulės yra plačiai paplitusios gamtoje ir yra atsakingos už mėlynos ir žalios šviesos sugertį fotosintezės kompleksuose, bei jų apsaugos nuo singletinio deguonies susidarymą. Karotinoidų molekulės taip pat veikia kaip antioksidantai gyvuosiuose organizmuose (tame tarpe ir žmonių organizme), atitolindami senėjimo procesus ir įvairių ląstelių degradavimą. Dauguma karotinoidų klasės molekulių pasižymi tuo, jog elektroninis šuolis į pirmąją elektroninę būseną yra draustinas dėl molekulių simetrijos, todėl galimas tiesioginis sužadinimas į antrąją elektroninę būseną, o tai lemia sudėtingą sužadinimo energijos relaksacijos kelią. Projekto tikslas yra sukurti mikroskopinį beta karotino molekulės modelį ir sumodeliuoti elektroninio sužadinimo energijos relaksacijos kelią, atsižvelgiant į molekulės virpesių ir terminių aplinkos fliuktuacijų poveikį.
Projekto metu buvo sukurtas kvantinės mechanikos teorija aprašytas beta-karoteno molekulės modelis, kuris leidžia modeliuoti molekulės ir jos aplinkos (tirpiklio, baltymų ir kt. molekulių) virpesių evoliuciją, molekulės virpesių energijos pernašą aplinkos virpesiams bei vidinės konversijos šuolius tarp skirtingų molekulės elektroninių būsenų. Molekulės ir jos aplinkos virpesiniai laisvės laipsniai įskaityti formaliai tiksliai, nenaudojant kvantinės mechanikos trikdžių teorijos. Sistemos evoliucijai nustatyti naudotas nestacionarusis variacinis metodas, kurio pagalba pavyko gauti sistemos banginės funkcijos amplitudžių diferencialines lygtis. Skaitmeniškai sprendžiant gautas lygtis su literatūroje pateiktais beta-karoteno molekulės elektroninių ir virpesinių būsenų parametrais, buvo modeliuoti sužadinimo energijos relaksacijos procesai, vykstantys po elektroniškai sužadintos S2 beta-karoteno elektroninės būsenos sukūrimo. Tinkamai parinkus tarp-virpesinės ir vidinės konversijos sąveikų stiprius, pavyko kokybiškai sumodeliuoti beta-karoteno vidinės konversijos ir pusiausvyros tarp molekulės ir aplinkos nusistovėjimo procesus: vykstant nespinduliniams šuoliams iš S2 į S1 elektroninę būseną, beta-karoteno molekulė per 300 fs paverčia 0.5 eV elektronų energiją į molekulės virpesinę energiją (šilumą), kurią per kitas 700 fs sugerią molekulės aplinka. Tokios procesų trukmės ir konvertuotos energijos vertės neblogai sutampa su eksperimentų duomenimis literatūroje.
Projektas vykdytas nuo 2017-10-01 iki 2018-05-01.
Projektas finansuojamas iš Europos Sąjungos fondų investicijų veiksmų programos 9 prioriteto „Visuomenės švietimas ir žmogiškųjų išteklių potencialo didinimas“ 09.3.3-LMT-K-712 priemonės „Mokslininkų, kitų tyrėjų, studentų mokslinės kompetencijos ugdymas per praktinę mokslinę veiklą“.