Enhancing the analysis of disorder in X-ray absorption spectra: application of deep neural networks to T-jump-X-ray probe experiments

文献情報

出版日 2021-03-30
DOI 10.1039/D0CP06244H
インパクトファクター 3.676
著者

Conor D. Rankine, Thomas J. Penfold


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要旨

Many chemical and biological reactions, including ligand exchange processes, require thermal energy for the reactants to overcome a transition barrier and reach the product state. Temperature-jump (T-jump) spectroscopy uses a near-infrared (NIR) pulse to rapidly heat a sample, offering an approach for triggering these processes and directly accessing thermally-activated pathways. However, thermal activation inherently increases the disorder of the system under study and, as a consequence, can make quantitative interpretations of structural changes challenging. In this Article, we optimise a deep neural network (DNN) for the instantaneous prediction of Co K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectra. We apply our DNN to analyse T-jump pump/X-ray probe data pertaining to the ligand exchange processes and solvation dynamics of Co2+ in chlorinated aqueous solution. Our analysis is greatly facilitated by machine learning, as our DNN is able to predict quickly and cost-effectively the XANES spectra of thousands of geometric configurations sampled from ab initio molecular dynamics (MD) using nothing more than the local geometric environment around the X-ray absorption site. We identify directly the structural changes following the T-jump, which are dominated by sample heating and a commensurate increase in the Debye–Waller factor.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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