Când electronii au voie să danseze
Cercetătorii arată posibilități de simulări polarizabile cu lichide ionice
Extras dintr-o simulare MD a lichidelor ionice.
Lichidele ionice au proprietăți speciale care le fac interesante pentru multe aplicații. În funcție de combinația de anioni și cationi, sărurile lichide pot de ex. foarte (in) solubil în apă, conductiv sau stabil la temperatură. Simulările de dinamică moleculară polarizabile sunt o cheie esențială pentru a înțelege mai bine lichidele ionice și comportamentul lor. O echipă internațională de cercetare condusă de Christian Schröder de la Facultatea de Chimie a Universității din Viena prezintă utilitatea modelelor polarizabile existente pentru investigarea sărurilor lichide într-un articol de ansamblu în „Revizuiri chimice”.
În timp ce sarea clasică de masă se topește la aproximativ 800 de grade Celsius, lichidele ionice sunt deja lichide la temperatura camerei. Întrucât sărurile promițătoare, relativ vâscoase, sunt greu inflamabile, sunt considerate o mare speranță pentru viitoarele baterii neinflamabile. Ca solvent, sărurile pot ajuta la dizolvarea celulozei, recuperarea substanțelor chimice precum cofeina din capsulele de cafea uzate și dizolvarea altor compuși, cum ar fi metalele sau proteinele din materiale.
În funcție de aplicație, este necesară o combinație inteligentă de cationi și anioni care alcătuiesc sărurile. „Există mai multe clase diferite de cationi și anioni din care lichidele ionice pot fi sintetizate”, spune Christian Schröder de la Institutul de Chimie Biologică Computațională. Deoarece amestecurile de lichide ionice cu alte lichide (ionice) au și proprietăți interesante, există prea multe posibilități pentru a le testa pe toate în laborator. „Simulările dinamice moleculare oferă un aport important pentru interpretarea rezultatelor experimentale și ajută la selectarea cationilor și anionilor optimi”, spune Schröder.
Lasă moleculele să danseze
"În simularea dinamicii moleculare (MD), atomii sunt bilele de biliard cvasi moi, care sunt conectate între ele prin forțe elastice", explică chimistul teoretic: "Bilele de biliard vibrează în interiorul moleculelor. Moleculele se rotesc și se mișcă în soluție conform clasicului Legile lui Newton. Dansează într-o pereche (ionică) sau se separă după un timp pentru a găsi noi parteneri de dans. "
În principiu, mecanica cuantică ar fi potrivită pentru determinarea interacțiunii dintre ioni. Dar, deoarece atât de mulți cationi și anioni sunt necesari pentru a descrie corect soluția, acest lucru depășește capacitatea de calcul de astăzi. Simulările MD sunt mai potrivite pentru aceste sisteme, deoarece în general se presupune o distribuție constantă a electronilor în moleculă și astfel se economisește timp de calcul.
„Acest lucru nu este posibil cu lichidele ionice: cationii și anionii sărurilor își schimbă polarizarea atunci când alți cationi sau anioni se apropie”, spune Schröder: „Electronii vor să danseze împreună”. Aceste „grade electronice de libertate” trebuie luate în considerare în modelele de simulare pentru rezultate semnificative.
Polarizabilitatea inclusă
În articolul lor general, Schröder și colegii săi aruncă lumină asupra modalităților de simulare polarizabilă a MD: „Cu un efort de calcul ușor mai mare, putem include modul în care norii de electroni ai atomilor reacționează la moleculele și ionii din jur”. În articolul lor, cercetătorii conduși de Christian Schröder au ajuns la concluzia că două abordări ale simulării polarizabile MD sunt potrivite pentru lichide ionice: o abordare fizică și una matematică. În ambele cazuri, un dipol indus este atașat la fiecare atom polarizabil, care descrie distorsiunea densității electronilor în funcție de mediu.