Keď je dovolené tancovať elektróny
Vedci ukazujú možnosti polarizovateľných simulácií s iónovými kvapalinami
Výňatok z MD simulácie iónových kvapalín.
Iónové kvapaliny majú špeciálne vlastnosti, ktoré ich robia zaujímavými pre mnoho aplikácií. V závislosti na kombinácii aniónov a katiónov môžu byť kvapalné soli napríklad veľmi vodou (nerozpustné), vodivé alebo teplotne stabilné. Polarizovateľné simulácie molekulárnej dynamiky sú základným kľúčom k lepšiemu pochopeniu iónových kvapalín a ich správania. Medzinárodný výskumný tím pod vedením Christiana Schrödera z Chemickej fakulty Viedenskej univerzity predstavuje užitočnosť existujúcich polarizovateľných modelov na skúmanie kvapalných solí v prehľadnom článku v časopise „Chemical Reviews“.
Zatiaľ čo sa klasická kuchynská soľ topí okolo 800 stupňov Celzia, iónové kvapaliny sú už pri izbovej teplote tekuté. Pretože sľubné, relatívne viskózne soli, sú ťažko horľavé, považuje sa ich za veľkú nádej pre budúce nehorľavé batérie. Ako rozpúšťadlo môžu soli pomôcť rozpúšťať celulózu, získavať z použitých kávových kapsúl chemikálie, ako je kofeín, a z materiálov rozpúšťať ďalšie zlúčeniny, ako sú kovy alebo bielkoviny.
V závislosti od aplikácie je nutná dômyselná kombinácia katiónov a aniónov, z ktorých sa tvoria soli. „Existuje niekoľko rôznych tried katiónov a aniónov, z ktorých je možné syntetizovať iónové kvapaliny,“ hovorí Christian Schröder z Ústavu pre výpočtovú biologickú chémiu. Pretože zmesi iónových kvapalín s inými (iónovými) kvapalinami majú tiež zaujímavé vlastnosti, existuje príliš veľa možností na testovanie všetkých z nich v laboratóriu. „Molekulárne dynamické simulácie poskytujú dôležitý vstup pre interpretáciu experimentálnych výsledkov a pomáhajú pri výbere optimálnych katiónov a aniónov,“ hovorí Schröder.
Nechajte molekuly tancovať
„V simulácii molekulárnej dynamiky (MD) sú atómy kvázi mäkké gulečníkové gule, ktoré sú navzájom spojené elastickými silami,“ vysvetľuje teoretický chemik: „Gulečníkové gule vibrujú v molekulách. Molekuly sa otáčajú a pohybujú v roztoku podľa klasického Newtonove zákony. Tancujú v (iónovom) páre alebo sa po chvíli rozchádzajú, aby si našli nových tanečných partnerov. “
Na stanovenie interakcie medzi iónmi by bola v zásade vhodná kvantová mechanika. Ale pretože na správne opísanie riešenia je potrebných toľko katiónov a aniónov, prekračuje to dnešnú výpočtovú kapacitu. Pre tieto systémy sú vhodnejšie simulácie MD, pretože sa predpokladá konštantná distribúcia elektrónov v molekule a šetrí sa tak výpočtový čas.
„To nie je možné u iónových kvapalín: katióny a anióny solí menia svoju polarizáciu, keď sa priblížia ďalšie katióny alebo anióny,“ hovorí Schröder: „Elektróny chcú tancovať.“ Tieto „elektronické stupne voľnosti“ sa musia brať do úvahy pre zmysluplné výsledky v simulačných modeloch.
Polarizovateľnosť v cene
Vo svojom súhrnnom článku Schröder a jeho kolegovia objasnili spôsoby polarizovateľnej simulácie MD: „S mierne vyššou výpočtovou námahou môžeme zahrnúť, ako elektrónové oblaky atómov reagujú na svoje okolité molekuly a ióny.“ Vedci pod vedením Christiana Schrödera vo svojom článku dospeli k záveru, že pre iontové kvapaliny sú vhodné dva prístupy k polarizovateľnej simulácii MD: fyzikálny a matematický prístup. V oboch prípadoch je ku každému polarizovateľnému atómu pripojený indukovaný dipól, ktorý popisuje skreslenie elektrónovej hustoty v závislosti od prostredia.