THz spectral analysis of cadmium yellow pigment via density functional theory

Smolyanskaya, O.A., Andreev I.I., Loginova E.V., Basmanov M.D., Baranova A.A., Trukhin V.N.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Смолянская О.А., Андреев И.И., Логинова Е.В., Басманов М.Д., Баранова А.А., Трухин В.Н. Исследование терагерцовых спектров художественного пигмента кадмия жёлтого в рамках теории функционала плотности // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 10. С. 96–106. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-10-96-106

Smolyanskaya O.A., Andreev I.I., Loginova E.V., Basmanov M.D., Baranova A.A., Trukhin V.N. THz spectral analysis of cadmium yellow pigment via density functional theory [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 10. P. 105–115. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-10-96-106

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Предмет исследования. Спектры поглощения художественного пигмента кадмия жёлтого (CdS) в терагерцовом диапазоне частот, а также его кристаллические структуры (кубическая и гексагональная сингонии). Цель работы. Работа направлена на изучение особенностей этих структур с использованием методов квантовохимического моделирования и терагерцовой спектроскопии с временным разрешением для разработки новых подходов к атрибуции художественных произведений. Метод. Проведены теоретические расчёты в рамках теории функционала плотности с использованием программного пакета CP2K, а также экспериментальные измерения на терагерцовом спектрометре с временным разрешением. Для анализа колебательных мод применялся статический метод в приближении гармонического потенциала. Основные результаты. Было выявлено преобладание кубической сингонии кристалла CdS в исследуемом образце, что подтверждается высокой интенсивностью колебательных мод в расчётных спектрах. Экспериментальный спектр поглощения согласуется с полученной расчётной моделью. Научная новизна работы заключается в комбинированном применении квантовохимического моделирования и терагерцовой спектроскопии для анализа пигментов. Практическая значимость. Результаты исследования показывают возможность использования предварительных квантовохимических расчётов спектров поглощения для дальнейшего применения терагерцовой спектроскопии в музейной практике для идентификации пигментов, реставрации и обнаружения подделок художественных произведений. Результаты также могут быть полезны в материаловедении и фотонике.

Keywords:

terahertz spectroscopy, quantumchemical calculation, density functional theory, cadmium yellow, artistic pigments, absorption spectra

OCIS codes: 300.6495, 300.6170, 300.1030

References:

Pouyet E., Cotte M., Fayard B. et al. 2D X-ray and FTIR micro-analysis of the degradation of cadmium yellow pigment in paintings of Henri Matisse // Applied Physics A. 2015. Т. 121. № 3. С. 967−980. https://doi.org/10.1007/s00339-015-9239-4

2. Fukunaga K. THz technology applied to cultural heritage in practice. Tokyo: Springer Japan, 2016. 144 p.

3. Большаков И.С., Лыкина А.А., Кравценюк О.В. и др. Оптические и терагерцовые методы исследования картин станковой масляной живописи // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 54–65. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-54-65

Bolshakov I.S., Lykina A.A., Kravtsenyuk O.V. и др. Optical and terahertz methods for the study of oil painting artworks authors [in Russian] // Journal of Optical Technology. 2024. V. 91. № 5. P. 323–329. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000323

4. Squires A.D., Lewis R.A., Zaczek A.J. et al. Distinguishing quinacridone pigments via terahertz spectroscopy: Absorption experiments and solid-state density functional theory simulations // The Journal of Physical Chemistry A. 2017. V. 121. № 18. P. 3423—3429. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.7b01582

5. Kleist E.M., Koch Dandolo C.L., Guillet J.P. et al. Terahertz spectroscopy and quantum mechanical simulations of crystalline copper-containing historical pigments // The Journal of Physical Chemistry A. 2019. V. 123. № 6. P. 1225−1232. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.8b11676

6. Convergence of terahertz sciences in biomedical systems / Park G.S., Kim Y.H., Han H. et al. Seul: Springer Netherlands, 2012. 435 p.

7. Baxter J.B., Guglietta G.W. Terahertz spectroscopy // Analytical chemistry. 2011. V. 83. № 12. P. 4342−4368. https://doi.org/10.1021/ac200907z

8. Giacopetti L., Satta A. Reactivity of Cd-yellow pigments: Role of surface defects // Microchemical Journal. 2018. V. 137. P. 502−508. https://doi.org/10.1016/j.microc.2017.12.013

9. Барановский В.И. Квантовая механика и квантовая химия. Учебное пособие. СПб.: Лань, 2017. 428 с.

Baranovsky V.I. Quantum mechanics and quantum chemistry. Textbook. Saint-Petersburg: Lan Publishing, 2017. 428 p.

10. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas // Physical review. 1964. V. 136 (3B). P. B864–B871.

11. Perdew J.P., Schmidt K. Jacob’s ladder of density functional approximations for the exchange correlation energy // AIP Conference Proceedings. 2001. V. 577. P. 1−20. https://doi.org/10.1063/1.1390175

12. Overend J. Infrared spectroscopy and molecular structure / Ed. by Davies M. Amsterdam: Elsevier, 1963. 345 p.

13. Feller R.L. Artists' pigments. V. 1. A handbook of their history and characteristics. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1987. 300 p.

14. Kühne T.D., Iannuzzi M., Ben M. del et al. CP2K: An electronic structure and molecular dynamics software package Quickstep: Efficient and accurate electronic structure calculations // The Journal of Chemical Physics. 2020. V. 152. № 19. P. 194103. https://doi.org/10.1063/5.0007045

15. Peintinger M.F., Oliveira D.V., Bredow T. Consistent Gaussian basis sets of triple-zeta valence with polarization quality for solid-state calculations // Journal of Computational Chemistry. 2013. V. 34. № 6. P. 451−459. https://doi.org/10.1002/jcc.23153

16. Willand A., Kvashnin Y.O., Genovese L. et al. Norm-conserving pseudopotentials with chemical accuracy compared to all-electron calculations // The Journal of chemical physics. 2013. V. 138. № 10. P. 104−109. https://doi.org/10.1063/1.4793260

17. Campo J.M. del, Gázquez José L., Trickey S.B. et al. Non-empirical improvement of PBE and its hybrid PBE0 for general description of molecular properties // The Journal of chemical physics. 2012. V. 136. № 10. P. 104−108. https://doi.org/10.1063/1.3691197

18. Kulya M.S., Odlyanitskiy E.L., Cassar Q. et al. Fast terahertz spectroscopic holographic assessment of optical properties of diabetic blood plasma // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2020. V. 41. P. 1041—1056. https://doi.org/10.1007/s10762-020-00728-9

19. Электронный ресурс URL: http://www.thzdb.org/index.php?name=Cadmium&page_num=2 (Terahertz Database).

Electronic resource URL: http://www.thzdb.org/index.php?name=Cadmium&page_num=2 (Terahertz Database).

20. Łuczyńska K., Drużbicki K., Runka T. et al. Vibrational response of felodipine in the THz domain: Optical and neutron spectroscopy versus plane-wave DFT modeling // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2020. V. 41. P. 1301–1336. https://doi.org/10.1007/s10762-019-00634-9