zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1293Research ArticleАННОТАЦИИ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТАТЕЙABSTRACTS ENGLISH-LANGUAGE ARTICLESСоздание сверхпроводящих материалов в результате фотореакцийPhotoreactions Create Superconducting MaterialsHanY.HanY.

Han Yulun.

Фарго

Yulun Han.

Fargo

KilinD.KilinD.

Kilin Dmitri.

Фарго

Dmitri Kilin.

Fargo

dmitri.kilin@ndsu.eduГосударственный университет Северной ДакотыNorth Dakota State University, Department of Chemistry and Biochemistry2023300520239035208Copyright © Han Y., Kilin D., 20232023Han Y., Kilin D.Han Y., Kilin D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1293

Проведено исследование фотореакции серы с молекулярным водородом с использованием методологии молекулярной динамики нестационарных возбужденных состояний (TDESMD). Индивидуальная траектория TDESMD дает подробную информацию о реакциях, которые приводят к ряду аллотропов серы и их гидрированных форм. Смоделированные масс-спектры, основанные на ансамбле траекторий TDESMD, обеспечивают распределение сульфанов по путям реакции. Установлено, что фотореакция начинается с раскрытия кольца циклического S8, который затем может реагировать с двумя радикалами H с образованием S8H2 в результате гомолитической диссоциации H2. Кластер серы подвергнется отщеплению мелких фрагментов, которые впоследствии могут рекомбинировать в различные сульфаны. Наиболее распространенные фрагменты, генерируемые вдоль траекторий, — H2S, S4H2 и S8H2. Конечные серосодержащие продукты представляют собой смесь сульфанов с различными цепями и кольцами. Полученные результаты позволяют лучше понять фотореакцию и потенциально дают представление о создании материалов с высокой температурой сверхпроводящего перехода Tc с использованием аналогичных реагентов.

One of the potentially transformative areas of scientific development is to achieve superconductivity at room temperature. Recently, the photochemical synthesis was carried out to prepare carbonaceous sulfur hydride (CSH) systems with room-temperature superconductivity at high pressure. In this work, we present a first-principles study aiming to unravel the photoreaction of sulfur with molecular hydrogen using the time-dependent excited-state molecular dynamics (TDESMD) methodology. Individual TDESMD trajectory provides details about reactions that lead to a number of allotropes of sulfur and their hydrogenated forms. Simulated mass spectra based on an ensemble of TDESMD trajectories provide the distribution of sulfanes along reaction pathways. It is found that the photoreaction starts with ring opening of cyclic S8, which may then react with two H radicals to form S8H2 as a result of the homolytic dissociation of H2. The sulfur cluster will undergo the elimination of small fragments, which can later recombine into a variety of sulfanes. The most abundant fragments generated along trajectories are H2S, S4H2, and S8H2. The final sulfur-bearing products are a mixture of sulfanes with various chains and rings. The mechanistic and conformational information obtained from this work allows us to better understand the photoreaction, and potentially, give insights into the preparation of high Tc materials using similar reactants.

фотореакциясуперпроводимостьTDESMD-методологияphotochemical synthesissuperconductivityTDESMD methodologyD.S.K. thanks the DOE BES NERSC facility for computational resources, allocation award No. 91202, “Computational Modeling of Photo-catalysis and Photo-induced Charge Transfer Dynamics on Surfaces”, supported by the Office of Science of the DOE under Contract DE-AC02-05CH11231. D.S.K. acknowledges the support of the National Science Foundation under Grant CHE-1944921. Authors thank David Micha, Oleg Prezhdo, Sergei Tretiak, Svetlana Kilina, Andrei Kryjevski, Bakhtiyor Rasulev, Aaron Forde, Amiradi Alesadi, Meade Eriksen for discussions and editorial suggestions.ReferencesA. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin, Nature, 525, 73-76 (2015).A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin, Nature, 525, 73-76 (2015).A. P. Drozdov, P. P. Kong, V. S. Minkov, S. P. Besedin, M. A. Kuzovnikov, S. Mozaffari, L. Balicas, F. F. Balakirev, D. E. Graf, V. B. Prakapenka, et al., Nature, 569, 528-531 (2019).A. P. Drozdov, P. P. Kong, V. S. Minkov, S. P. Besedin, M. A. Kuzovnikov, S. Mozaffari, L. Balicas, F. F. Balakirev, D. E. Graf, V. B. Prakapenka, et al., Nature, 569, 528-531 (2019).M. Somayazulu, M. Ahart, A. K. Mishra, Z. M. Geballe, M. Baldini, Y. Meng, V. V. Struzhkin, R. J. Hemley, Phys. Rev. Lett., 122, 027001 (2019).M. Somayazulu, M. Ahart, A. K. Mishra, Z. M. Geballe, M. Baldini, Y. Meng, V. V. Struzhkin, R. J. Hemley, Phys. Rev. Lett., 122, 027001 (2019).I. Errea, F. Belli, L. Monacelli, A. Sanna, T. Koretsune, T. Tadano, R. Bianco, M. Calandra, R. Arita, F. Mauri, et al., Nature, 578, 66-69 (2020).I. Errea, F. Belli, L. Monacelli, A. Sanna, T. Koretsune, T. Tadano, R. Bianco, M. Calandra, R. Arita, F. Mauri, et al., Nature, 578, 66-69 (2020).L. Zhang, Y. Wang, J. Lv, Y. Ma, Nature Rev. Mater., 2, 17005 (2017).L. Zhang, Y. Wang, J. Lv, Y. Ma, Nature Rev. Mater., 2, 17005 (2017).M. I. Eremets, I. A. Trojan, S. A. Medvedev, J. S. Tse, Y. Yao, Science, 319, 1506-1509 (2008).M. I. Eremets, I. A. Trojan, S. A. Medvedev, J. S. Tse, Y. Yao, Science, 319, 1506-1509 (2008).Y. Sun, J. Lv, Y. Xie, H. Liu, Y. Ma, Phys. Rev. Lett., 123, 097001 (2019).Y. Sun, J. Lv, Y. Xie, H. Liu, Y. Ma, Phys. Rev. Lett., 123, 097001 (2019).N. W. Ashcroft, Phys. Rev. Lett., 21, 1748-1749 (1968).N. W. Ashcroft, Phys. Rev. Lett., 21, 1748-1749 (1968).N. W. Ashcroft, Phys. Rev. Lett., 92, 187002 (2004).N. W. Ashcroft, Phys. Rev. Lett., 92, 187002 (2004).J. A. Flores-Livas, L. Boeri, A. Sanna, G. Profeta, R. Arita, M. Eremets, Phys. Rep., 856, 1-78 (2020).J. A. Flores-Livas, L. Boeri, A. Sanna, G. Profeta, R. Arita, M. Eremets, Phys. Rep., 856, 1-78 (2020).E. Snider, N. Dasenbrock-Gammon, R. McBride, M. Debessai, H. Vindana, K. Vencatasamy, K. V. Lawler, А. Salamat, R. P. Dias, Nature, 586, 373-377 (2020).E. Snider, N. Dasenbrock-Gammon, R. McBride, M. Debessai, H. Vindana, K. Vencatasamy, K. V. Lawler, А. Salamat, R. P. Dias, Nature, 586, 373-377 (2020).B. Eckert, R. Schumacher, H. J. Jodl, P. Foggi, High Pressure Res., 17, 113-146 (2000).B. Eckert, R. Schumacher, H. J. Jodl, P. Foggi, High Pressure Res., 17, 113-146 (2000).J. C. Vincent, M. Muuronen, K. C. Pearce, L. N. Mohanam, E. Tapavicza, F. Furche, J. Phys. Chem. Lett., 7, 4185-4190 (2016).J. C. Vincent, M. Muuronen, K. C. Pearce, L. N. Mohanam, E. Tapavicza, F. Furche, J. Phys. Chem. Lett., 7, 4185-4190 (2016).S. M. Parker, S. Roy, F. Furche, Phys. Chem. Chem. Phys., 21, 18999-19010 (2019).S. M. Parker, S. Roy, F. Furche, Phys. Chem. Chem. Phys., 21, 18999-19010 (2019).C. Cisneros, T. Thompson, N. Baluyot, A. C. Smith, E. Tapavicza, Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 5763-5777 (2017).C. Cisneros, T. Thompson, N. Baluyot, A. C. Smith, E. Tapavicza, Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 5763-5777 (2017).M. Muuronen, S. M. Parker, E. Berardo, A. Le, M. A. Zwijnenburg, F. Furche, Chem. Sci., 8, 2179-2183 (2017).M. Muuronen, S. M. Parker, E. Berardo, A. Le, M. A. Zwijnenburg, F. Furche, Chem. Sci., 8, 2179-2183 (2017).Y. Zhang, L. Li, S. Tretiak, T. Nelson, J. Chem. Theory Comp., 16, 2053-2064 (2020).Y. Zhang, L. Li, S. Tretiak, T. Nelson, J. Chem. Theory Comp., 16, 2053-2064 (2020).A. E. Sifain, B. J. Gifford, D. W. Gao, L. Lystrom, T. R. Nelson, S. Tretiak, J. Phys. Chem. A, 122, 9403-9411 (2018).A. E. Sifain, B. J. Gifford, D. W. Gao, L. Lystrom, T. R. Nelson, S. Tretiak, J. Phys. Chem. A, 122, 9403-9411 (2018).W. Malone, B. Nebgen, A. White, Y. Zhang, H. Song, J. A. Bjorgaard, A. E. Sifain, B. Rodriguez-Hernandez, V. M. Freixas, S. Fernandez-Alberti, et al., J. Chem. Theory Comp., 16, 5771-5783 (2020).W. Malone, B. Nebgen, A. White, Y. Zhang, H. Song, J. A. Bjorgaard, A. E. Sifain, B. Rodriguez-Hernandez, V. M. Freixas, S. Fernandez-Alberti, et al., J. Chem. Theory Comp., 16, 5771-5783 (2020).L. Lystrom, Y. Zhang, S. Tretiak, T. Nelson, J. Phys. Chem. A, 122, 6055-6061 (2018).L. Lystrom, Y. Zhang, S. Tretiak, T. Nelson, J. Phys. Chem. A, 122, 6055-6061 (2018).I. I. Rabi, Phys. Rev., 51, 652-654 (1937).I. I. Rabi, Phys. Rev., 51, 652-654 (1937).I. I. Rabi, N. F. Ramsey, J. Schwinger, Rev. Modern Phys., 26, 167-171 (1954).I. I. Rabi, N. F. Ramsey, J. Schwinger, Rev. Modern Phys., 26, 167-171 (1954).J. C. Tully, J. Chem. Phys., 93, 1061-1071 (1990).J. C. Tully, J. Chem. Phys., 93, 1061-1071 (1990).J. C. Tully, J. Chem. Phys., 137, 22A301 (2012).J. C. Tully, J. Chem. Phys., 137, 22A301 (2012).S. Hammes-Schiffer, J. C. Tully, J. Chem. Phys., 101, 4657-4667 (1994).S. Hammes-Schiffer, J. C. Tully, J. Chem. Phys., 101, 4657-4667 (1994).Y. Han, B. Rasulev, D. S. Kilin, J. Phys. Chem. Lett., 8, 3185-3192 (2017).Y. Han, B. Rasulev, D. S. Kilin, J. Phys. Chem. Lett., 8, 3185-3192 (2017).Y. Han, K. Anderson, E. K. Hobbie, P. Boudjouk, D. S. Kilin, J. Phys. Chem. Lett., 9, 4349-4354 (2018).Y. Han, K. Anderson, E. K. Hobbie, P. Boudjouk, D. S. Kilin, J. Phys. Chem. Lett., 9, 4349-4354 (2018).Y. Han, D. S. Kilin, P. S. May, M. T. Berry, Q. Meng, Organometallics, 35, 3461-3473 (2016).Y. Han, D. S. Kilin, P. S. May, M. T. Berry, Q. Meng, Organometallics, 35, 3461-3473 (2016).Y. Han, Q. Meng, B. Rasulev, P. S. May, M. T. Berry, D. S. Kilin, J. Chem. Theory Comp., 13, 4281-4296 (2017).Y. Han, Q. Meng, B. Rasulev, P. S. May, M. T. Berry, D. S. Kilin, J. Chem. Theory Comp., 13, 4281-4296 (2017).Y. Han, Q. Meng, B. Rasulev, P. S. May, M. T. Berry, D. S. Kilin, J. Phys. Chem. A, 119, 10838-10848 (2015).Y. Han, Q. Meng, B. Rasulev, P. S. May, M. T. Berry, D. S. Kilin, J. Phys. Chem. A, 119, 10838-10848 (2015).B. Disrud, Y. Han, D. S. Kilin, Mol. Phys., 115, 674-682 (2017).B. Disrud, Y. Han, D. S. Kilin, Mol. Phys., 115, 674-682 (2017).W. Kohn, L. J. Sham, Phys. Rev., 140, A1133-A1138 (1965).W. Kohn, L. J. Sham, Phys. Rev., 140, A1133-A1138 (1965).G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 47, 558-561 (1993).G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 47, 558-561 (1993).G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 49, 14251-14269 (1994).G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 49, 14251-14269 (1994).G. Kresse, J. Furthmuller, Phys. Rev. B, 54, 11169-11186 (1996).G. Kresse, J. Furthmuller, Phys. Rev. B, 54, 11169-11186 (1996).G. Kresse, J. Furthmuller, Comput. Mater. Sci., 6, 15-50 (1996).G. Kresse, J. Furthmuller, Comput. Mater. Sci., 6, 15-50 (1996).J. P. Perdew, J. A. Chevary, S. H. Vosko, K. A. Jackson, M. R. Pederson, D. J. Singh, C. Fiolhais, Phys. Rev. B, 46, 6671-6687 (1992).J. P. Perdew, J. A. Chevary, S. H. Vosko, K. A. Jackson, M. R. Pederson, D. J. Singh, C. Fiolhais, Phys. Rev. B, 46, 6671-6687 (1992).J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77, 3865-3868 (1996).J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77, 3865-3868 (1996).P. E. Blochl, Phys. Rev. B, 50, 17953-17979 (1994).P. E. Blochl, Phys. Rev. B, 50, 17953-17979 (1994).S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys., 132, 154104 (2010).S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys., 132, 154104 (2010).A. Forde, T. Inerbaev, E. K. Hobbie, D. S. Kilin, J. Am. Chem. Soc., 141, 4388-4397 (2019).A. Forde, T. Inerbaev, E. K. Hobbie, D. S. Kilin, J. Am. Chem. Soc., 141, 4388-4397 (2019).N. M. O'Boyle, M. Banck, C. A. James, C. Morley, T. Vandermeersch, G. R. Hutchison, J. Cheminformat., 3, 33 (2011).N. M. O'Boyle, M. Banck, C. A. James, C. Morley, T. Vandermeersch, G. R. Hutchison, J. Cheminformat., 3, 33 (2011).K. Momma, F. Izumi, J. Appl. Crystallogr., 44, 1272-1276 (2011).K. Momma, F. Izumi, J. Appl. Crystallogr., 44, 1272-1276 (2011).B. Meyer, Chem. Rev., 64, 429-451 (1964).B. Meyer, Chem. Rev., 64, 429-451 (1964).S. J. Rettig, J. Trotter, Acta Crystallogr. C, 43, 2260-2262 (1987).S. J. Rettig, J. Trotter, Acta Crystallogr. C, 43, 2260-2262 (1987).W. Tang, E. Sanville, G. Henkelman, J. Phys.: Condens. Matter, 21, 084204 (2009).W. Tang, E. Sanville, G. Henkelman, J. Phys.: Condens. Matter, 21, 084204 (2009).E. Sanville, S. D. Kenny, R. Smith, G. Henkelman, J. Comput. Chem., 28, 899-908 (2007).E. Sanville, S. D. Kenny, R. Smith, G. Henkelman, J. Comput. Chem., 28, 899-908 (2007).G. Henkelman, A. Arnaldsson, H. Jonsson, Comput. Mater. Sci., 36, 354-360 (2006).G. Henkelman, A. Arnaldsson, H. Jonsson, Comput. Mater. Sci., 36, 354-360 (2006).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.