Amikor az elektronokat hagyják táncolni
A kutatók bemutatják az ionos folyadékokkal végzett polarizálható szimulációk lehetőségeit
Részlet az ionos folyadékok MD-szimulációjából.
Az ionos folyadékoknak különleges tulajdonságai vannak, amelyek sok alkalmazás szempontjából érdekesek. Az anionok és kationok kombinációjától függően a folyékony sók lehetnek például nagyon vízben (oldhatatlanok), vezetőképesek vagy hőmérséklet-stabilak. A polarizálható molekuladinamikai szimulációk elengedhetetlen kulcsok az ionos folyadékok és viselkedésük jobb megértéséhez. Christian Schröder, a Bécsi Egyetem Kémiai Karának vezetésével egy nemzetközi kutatócsoport a "Chemical Reviews" áttekintő cikkében bemutatja a meglévő polarizálható modellek hasznosságát a folyékony sók vizsgálatában.
Míg a klasszikus konyhasó 800 Celsius fok körül olvad, addig az ionos folyadékok szobahőmérsékleten már folyékonyak. Mivel az ígéretes, viszonylag viszkózus sók alig gyúlékonyak, nagy reménynek tekintik a jövőbeni, nem gyúlékony elemeket. Oldószerként a sók elősegíthetik a cellulóz feloldódását, vegyi anyagok, például koffein visszanyerését a használt kávékapszulákból, és más vegyületek, például fémek vagy fehérjék feloldását.
Az alkalmazástól függően a sókat alkotó kationok és anionok okos kombinációjára van szükség. "A kationok és anionok különböző osztályai léteznek, amelyekből az ionos folyadékok szintetizálhatók" - mondja Christian Schröder, a Számítástechnikai Biológiai Kémiai Intézet munkatársa. Mivel az ionos folyadékok keverékei más (ionos) folyadékokkal szintén érdekes tulajdonságokkal bírnak, túl sok lehetőség nyílik mindegyik laboratóriumi vizsgálatára. "A molekuláris dinamikus szimulációk fontos inputot nyújtanak a kísérleti eredmények értelmezéséhez, és segítenek az optimális kationok és anionok kiválasztásában" - mondja Schröder.
Hadd táncoljanak a molekulák
"A molekuladinamikai szimulációban (MD) az atomok kvázi puha biliárdgolyók, amelyeket rugalmas erők kötnek össze egymással" - magyarázza az elméleti kémikus: "A biliárdgolyók a molekulákon belül rezegnek. A molekulák a klasszikus szerint forognak és mozognak az oldatban. Newton törvényei. (Ion) párban táncolnak, vagy egy idő után különválnak, hogy új táncpartnereket találjanak. "
Elvileg a kvantummechanika alkalmas lenne az ionok közötti kölcsönhatás meghatározására. De mivel a megoldás helyes leírásához annyi kationra és anionra van szükség, ez meghaladja a mai számítási kapacitást. Az MD szimulációk alkalmasabbak ezekre a rendszerekre, mivel az ember rendszerint állandó elektroneloszlást feltételez a molekulában, és így számítási időt takarít meg.
"Ez nem lehetséges ionos folyadékok esetében: a sók kationjai és anionjai megváltoztatják polarizációjukat, amikor más kationok vagy anionok közel kerülnek egymáshoz" - mondja Schröder: "Az elektronok végig akarnak táncolni." Ezeket az "elektronikus szabadsági fokokat" figyelembe kell venni a szimulációs modellek értelmes eredményei szempontjából.
Polarizálhatóságot is tartalmaz
Áttekintő cikkükben Schröder és munkatársai rávilágítottak a polarizálható MD szimuláció módjaira: "Kissé nagyobb számítási erőfeszítéssel felvehetjük, hogy az atomok elektronfelhői hogyan reagálnak a környező molekulákra és ionokra." Cikkükben a Christian Schröder által vezetett kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a polarizálható MD szimuláció kétféle megközelítése alkalmas ionos folyadékokra: fizikai és matematikai megközelítés. Mindkét esetben egy indukált dipólus kapcsolódik minden polarizálható atomhoz, amely leírja az elektron sűrűségének torzulását a környezettől függően.