Time-dependent density functional theory study of charge transfer in collisions

We study the charge transfer between colliding ions, atoms, or molecules, within time-dependent density functional theory. Two particular cases are presented, the collision between a proton and a Helium atom, and between a gold atom and a butane molecule. In the first case, proton kinetic energies between 16 keV and 1.2 MeV are considered, with impact parameters between 0.31 and 1.9 angstrom. The partial transfer of charge is monitored with time. The total cross-section is obtained as a function of the proton kinetic energy. In the second case, we analyze one trajectory and discuss spin-dependent charge transfer between the different fragments.

A computational study of the mechanism of CO oxidation by a ceria supported surface rhodium oxide layer

A mechanism of CO oxidation by a thin surface oxide of Rh supported on ceria is proposed: CO is oxidized by the Rh-oxide film, which is subsequently reoxidized by a ceria surface O atom. The proposed mechanism is supported by in situ Raman spectroscopic investigations.

Similarity between Positronium-Atom and Electron-Atom Scattering

We employ the impulse approximation for a description of positronium-atom scattering. Our analysis and calculations of Ps-Kr and Ps-Ar collisions provide a theoretical explanation of the similarity between the cross sections for positronium scattering and electron scattering for a range of atomic and molecular targets observed by S. J. Brawley et al. [Science 330, 789 (2010)].

Ultracold, radiative charge transfer in hybrid Yb ion – Rb atom traps

Ultracold hybrid ion–atom traps offer the possibility of microscopic manipulation of quantum coherences in the gas using the ion as a probe. However, inelastic processes, particularly charge transfer can be a significant process of ion loss and has been measured experimentally for the ${\rm Y}{{{\rm b}}^{+}}$ ion immersed in a Rb vapour. We use first-principles quantum chemistry codes to obtain the potential energy curves and dipole moments for the lowest-lying energy states of this complex. Calculations for the radiative decay processes cross sections and rate coefficients are presented for the total decay processes; ${\rm Y}{{{\rm b}}^{+}}(6{\rm s}{{\;}^{2}}{\rm S})+{\rm Rb}(5{\rm s}{{\;}^{2}}{\rm S})\to {\rm Yb}(6{{{\rm s}}^{2}}{{\;}^{1}}{\rm S})+{\rm R}{{{\rm b}}^{+}}(4{{{\rm p}}^{6}}{{\;}^{1}}{\rm S})+h\nu $ and ${\rm Y}{{{\rm b}}^{+}}(6{\rm s}{{\;}^{2}}{\rm S})+{\rm Rb}(5{\rm s}{{\;}^{2}}{\rm S})\to {\rm YbR}{{{\rm b}}^{+}}({{X}^{1}}{{\Sigma }^{+}})+h\nu $. Comparing the semi-classical Langevin approximation with the quantum approach, we find it provides a very good estimate of the background at higher energies. The results demonstrate that radiative decay mechanisms are important over the energy and temperature region considered. In fact, the Langevin process of ion–atom collisions dominates cold ion–atom collisions. For spin-dependent processes [1] the anisotropic magnetic dipole–dipole interaction and the second-order spin–orbit coupling can play important roles, inducing coupling between the spin and the orbital motion. They measured the spin-relaxing collision rate to be approximately five orders of magnitude higher than the charge-exchange collision rate [1]. Regarding the measured radiative charge transfer collision rate, we find that our calculation is in very good agreement with experiment and with previous calculations. Nonetheless, we find no broad resonances features that might underly a strong isotope effect. In conclusion, we find, in agreement with previous theory that the isotope anomaly observed in experiment remains an open question.

Modelling the brightness increase signature due to asteroid collisions

We have developed a model to predict the post-collision brightness increase of sub-catastrophic collisions between asteroids and to evaluate the likelihood of a survey detecting these events. It is based on the cratering scaling laws of Holsapple and Housen (2007) and models the ejecta expansion following an impact as occurring in discrete shells each with their own velocity. We estimate the magnitude change between a series of target/impactor pairs, as- suming it is given by the increase in reflecting surface area within a photometric aperture due to the resulting ejecta. As expected the photometric signal increases with impactor size, but we find also that the photometric signature decreases rapidly as the target aster- oid diameter increases, due to gravitational fallback. We have used the model results to make an estimate of the impactor diameter for the (596) Scheila collision of D = 49 − 65m depending on the impactor taxonomy, which is broadly consistent with previous estimates. We varied both the strength regime (highly porous and sand/cohesive soil) and the tax- onomic type (S-, C- and D-type) to examine the effect on the magnitude change, finding that it is significant at early stages but has only a small effect on the overall lifetime of the photometric signal. Combining the results of this model with the collision frequency estimates of Bottke et al. (2005), we find that low-cadence surveys of ∼one visit per luna- tion will be insensitive to impacts on asteroids with D < 20km if relying on photometric detections.

A predatory patchwork:membrane and surface structures of Bdellovibrio bacteriovorus

Predatory Bdellovibrio bacteriovorus bacteria are remarkable in that they attach to, penetrate and digest other Gram-negative bacteria, living and replicating within them until all resources are exhausted, when they escape the prey ghost to invade fresh prey. Remarkable remodeling of both predator and prey cell occurs during this process to allow the Bdellovibrio to exploit the intracellular niche they have worked so hard to enter, keeping the prey "bdelloplast" intact until the end of predatory growth. If one views motile non-predatory bacteria in a light microscope, one is immediately struck by how rare it is for bacteria to collide. This highlights how the cell surface of Bdellovibrio must be specialized and adapted to allow productive collisions and further to allow entry into the prey periplasm and subsequent secretion of hydrolytic enzymes to digest it. Bdellovibrio can, however, also be made to grow artificially without prey; thus, they have a large genome containing both predatory genes and genes for saprophytic heterotrophic growth. Thus, the membrane and outer surface layers are a patchwork of proteins encompassing not only those that have a sole purpose in heterotrophic growth but also many more that are specialized or employed to attach to, enter, remodel, kill and ultimately digest prey cells. There is much that is as yet not understood, but molecular genetic and post-genomic approaches to microbial physiology have enhanced the pioneering biochemical work of four decades ago in characterizing some of the key events and surface protein requirements for prey attack.

Density functional theory study of the interaction between CO and on a Pt surface:CO/Pt(111), O/Pt(111), and CO/O/Pt(111)

Ab initio total energy calculations within the Density Functional Theory framework were carried out for Pt(111), Pt(111)-p(2x2)-CO, Pt(111)-p(2x2)-O, and Pt(111)-p(2x2)-(CO+O) to provide an insight into the interaction between CO and O on metal surfaces, an important issue in CO oxidation, and also in promotion and poisoning effects of catalysis. The geometrical structures of these systems were optimized with respect to the total energy, the results of which agree with existing experimental values very well. It is found that (i) the local structures of Pt(111)-p(2x2)-(CO+O), such as the bond lengths of C-O, C-Pt, and O-Pt (chemisorbed O atom with Pt), are almost the same as that in Pt(111)-p(2x2)-CO and Pt(111)-p(2x2)-O, respectively, (ii) the total valence charge density distributions in Pt(111)-p(2x2)-(CO+O) are very similar to that in Pt(111)-p(2x2)-CO, except in the region of the chemisorbed oxygen atom, and also nearly identical to that in Pt(111)-p(2x2)-O, apart from in the region of the chemisorbed CO, and (iii) the chemisorption energy of CO on a precovered Pt(111)-p(2x2)-O and the chemisorption energy of O on a precovered Pt(111)-p(2x2)CO are almost equal to that in Pt(111)-p(2x2)-CO and Pt(111)-p(2x2)-O, respectively. These results indicate that the interaction between CO and chemisorbed oxygen on a metal surface is mainly shore range in nature. The discussions of Pt-CO and Pt-O bonding and the interaction between CO and the chemisorbed oxygen atom on Pt(111) are augmented by local densities of states and real space distributions of quantum states.

Ab initio diffusional potential energy surface for CO chemisorption on Pd{110} at high coverage:Coupled translation and rotation

The ground state potential energy surface for CO chemisorption across Pd{110} has been calculated using density functional theory with gradient corrections at monolayer coverage. The most stable site corresponds well with the experimental adsorption heat, and it is found that the strength of binding to sites is in the following order: pseudo-short-bridge>atop>long-bridge>hollow. Pathways and transition states for CO surface diffusion, involving a correlation between translation and orientation, are proposed and discussed. (C) 1997 American Institute of Physics.

CLUSTER LEED - A VERY FAST METHOD FOR SURFACE-STRUCTURE DETERMINATION

A very fast method, cluster low-energy electron diffraction (LEED) is proposed for LEED I-V spectral analysis, in which three appproximations are introduced: the small-atom approximation, omission of the structure factors, and truncation of higher order ( > 2) scattering events. The method has been tested using a total of four sets of I-V spectra calculated by fully dynamic LEED for (i) the simple overlayer system, O on Ni{100}, and (ii) the reconstructed system, Cu on W{100}, and also one set of experimental data from W{100}-c(2 X 2)-Cu. In each case the correct structural parameters are recovered. It is suggested that for complex systems cluster LEED provides an efficient fast route to trial structures, which could be refined by automated tenser LEED.

The fast atom bombardment mass spectrometric analysis of the carbamate pesticide carbaryl

The carbamate pesticide, carbaryl, was quantitatively studied using fast atom bombardment mass spectrometry (FAB-MS). Mass spectra were obtained in the positive ion-mode using both 2-nitrophenyloctyl ether (NPOE) and 3-nitrobenzyl alcohol (NBA) as matrix liquids. The sample was applied by three different techniques; simple mixing, solvent mixing and surface precipitation. Smaller volumes of matrix liquid were found to produce more favourable ion currents. Detection limits were largely independent of the matrix or application technique used. The relationship between ion current and the mass of analyte was found to be intricately related to the choice of matrix liquid.

Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.

Synthesis of polyelectrolyte brushes on silica-based substrates through surface-initiated polymerization : brush characterization and responsiveness to variation in pH and ionic strength

Les brosses de polyélectrolytes font l’objet d’une attention particulière pour de nombreuses applications car elles présentent la capacité de changer de conformation et, par conséquent, de propriétés de surface en réponse aux conditions environnementales appliquées. Le contrôle des principaux paramètres de ces brosses telles que l'épaisseur, la composition et l'architecture macromoléculaire, est essentiel pour obtenir des polymères greffés bien définis. Ceci est possible avec la Polymérisation Radicalaire par Transfert d’Atomes - Initiée à partir de la Surface (PRTA-IS), qui permet la synthèse de brosses polymériques de manière contrôlée à partir d’une couche d'amorceurs immobilisés de manière covalente sur une surface. Le premier exemple d’une synthèse directe de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) par polymérisation radicalaire dans l’eau a été démontré. Par greffage d’un marqueur fluorescent aux brosses de PAA et via l’utilisation de la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, le dégreffage du PAA en temps réel a pu être investigué. Des conditions environnementales de pH ≥ 9,5 en présence de sel, se sont avérées critiques pour la stabilité de la liaison substrat-amorceur, conduisant au dégreffage du polymère. Afin de protéger de l’hydrolyse cette liaison substrat-amorceur sensible et prévenir le dégreffage non souhaité du polymère, un espaceur hydrophobique de polystyrène (PS) a été inséré entre l'amorceur et le bloc de PAA stimuli-répondant. Les brosses de PS-PAA obtenues étaient stables pour des conditions extrêmes de pH et de force ionique. La réponse de ces brosses de copolymère bloc a été étudiée in situ par ellipsométrie, et le changement réversible de conformation collapsée à étirée, induit par les variations de pH a été démontré. De plus, des différences de conformation provenant des interactions du bloc de PAA avec des ions métalliques de valence variable ont été obtenues. Le copolymère bloc étudié semble donc prometteur pour la conception de matériaux répondant rapidement a divers stimuli. Par la suite, il a été démontré qu’un acide phosphonique pouvait être employé en tant qu’ amorceur PRTA-IS comme alternative aux organosilanes. Cet amorceur phosphonate a été greffé pour la première fois avec succès sur des substrats de silice et une PRTA-IS en milieux aqueux a permis la synthèse de brosses de PAA et de poly(sulfopropyl méthacrylate). La résistance accrue à l’hydrolyse de la liaison Sisubstrat-O- Pamorceur a été confirmée pour une large gamme de pH 7,5 à 10,5 et a permis l’étude des propriétés de friction des brosses de PAA sous différentes conditions expérimentales par mesure de forces de surface. Malgré la stabilité des brosses de PAA à haute charge appliquée, les études des propriétés de friction ne révèlent pas de changement significatif du coefficient de friction en fonction du pH et de la force ionique.

Adsorption of element 112 on a Au surface

Während der letzten 20 Jahre hat sich das Periodensystem bis zu den Elementen 114 und 116 erweitert. Diese sind kernphysikalisch nachgewiesen, so dass jetzt die chemische Untersuchung an erster Selle steht. Nachdem sich das Periodensystem bis zum Element 108 so verhält, wie man es dem Periodensystem nach annimmt, wird in dieser Arbeit die Chemie des Elements 112 untersucht. Dabei geht es um die Adsorptionsenergie auf einer Gold-Ober fläche, weil dies der physikalisch/chemische Prozess ist, der bei der Analyse angewandt wird. Die Methode, die in dieser Arbeit angwandt wird, ist die relativistische Dichtefunktionalmethode. Im ersten Teil wird das Vielkörperproblem in allgemeiner Form behandelt, und im zweiten die grundlegenden Eigenschaften und Formulierungen der Dichtefunktionaltheorie. Die Arbeit beschreibt zwei prinzipiell unterschiedliche Ansätze, wie die Adsorptionsenergie berechnet werden kann. Zum einen ist es die sogenannte Clustermethode, bei der ein Atom auf ein relativ kleines Cluster aufgebracht und dessen Adsorptionsenergie berechnet wird. Wenn es gelingt, die Konvergenz mit der Größe des Clusters zu erreichen, sollte dies zu einem Wert für die Adsorptionsenergie führen. Leider zeigt sich in den Rechnungen, dass aufgrund des zeitlichen Aufwandes die Konvergenz für die Clusterrechnungen nicht erreicht wird. Es werden sehr ausführlich die drei verschiedenen Adsorptionsplätze, die Top-, die Brücken- und die Muldenposition, berechnet. Sehr viel mehr Erfolg erzielt man mit der Einbettungsmethode, bei der ein kleiner Cluster von vielen weiteren Atomen an den Positionen, die sie im Festkörpers auf die Adsorptionsenergie soweit sichergestellt ist, dass physikalisch-chemisch gute Ergebnisse erzielt werden. Alle hier gennanten Rechnungen sowohl mit der Cluster- wie mit der Einbettungsmethode verlangen sehr, sehr lange Rechenzeiten, die, wie oben bereits erwähnt, nicht zu einer Konvergenz für die Clusterrechnungen ausreichten. In der Arbeit wird bei allen Rechnungen sehr detailliert auf die Abhängigkeit von den möglichen Basissätzen eingegangen, die ebenfalls in entscheidender Weise zur Länge und Qualität der Rechnungen beitragen. Die auskonvergierten Rechnungen werden in der Form von Potentialkurven, Density of States (DOS), Overlap Populations sowie Partial Crystal Overlap Populations analysiert. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Adsoptionsenergie für das Element 112 auf einer Goldoberfläche ca. 0.2 eV niedriger ist als die Adsorption von Quecksilber auf der gleichen Ober fläche. Mit diesem Ergebnis haben die experimentellen Kernchemiker einen Wert an der Hand, mit dem sie eine Anhaltspunkt haben, wo sie bei den Messungen die wenigen zu erwartenden Ereignisse finden können.

A clear atomic example for the surface sensitivity of penning ionization

Using a crossed-beam apparatus with a double hemispherical electron spectrometer, we have studied the spectrum of electrons released in thermal energy ionizing collisions of metastable He^*(2^3S) atoms with ground state Yb(4f^14 6s^2 ^1S_0) atoms, thereby providing the first Penning electron spectrum of an atomic target with-4f-electrons. In contrast to the HeI (58.4nm) and NeI (73.6/74.4nm) photoelectron spectra of Yb, which show mainly 4f- and 6s-electron emission in about a 5:1 ratio, the He^*(2^3S) Penning electron spectrum is dominated by 6s-ionization, acoompnnied by some correlation- induced 6p-emission (8% Yb+( 4f^14 6p^2P) formation) and very little 4f-ionization (<_~ 2.5%). This astounding result is attributed to the electron exchange mechanism for He^*(2^3S) ionization and reflects the poor overlap of the target 4f-electron wavefunction with the 1s-hole of He^*(2^3S), as discussed on thc basis of Dirac-Fock wave functions for the Yb orbitals and through calculations of the partial ionization cross sections involving semiempirical complex potentiale. The presented case may be regarded as the elearest atomic example for the surface sensitivity of He^*(2^3S) Penning ionization observed so far.

Theoretical evidence for quasi-molecular structure at small internuclear distances in elastic ion-atom scattering

The potential energy curve of the system Ne-Ne is calculated for small internuclear distances from 0.005 to 3.0 au using a newly developed relativistic molecular Dirac-Fock-Slater code. A significant structure in the potential energy curve is found which leads to a nearly complete agreement with experimental differential elastic scattering cross sections. This demonstrates the presence of quasi-molecular effects in elastic ion-atom collisions at keV energies.