Когато е позволено на електроните да танцуват
Изследователите показват възможностите на поляризуеми симулации с йонни течности
Извадка от MD симулация на йонни течности.
Йонните течности имат специални свойства, които ги правят интересни за много приложения. В зависимост от комбинацията от аниони и катиони, течните соли могат напр. много разтворим във вода (не), проводим или устойчив на температура. Поляризуемите симулации на молекулярна динамика са основен ключ за по-доброто разбиране на йонните течности и тяхното поведение. Международен изследователски екип, ръководен от Кристиан Шрьодер от Химическия факултет на Виенския университет, представя полезността на съществуващите поляризуеми модели за изследване на течни соли в обзорна статия в "Химически прегледи".
Докато класическата готварска сол се топи при около 800 градуса по Целзий, йонните течности вече са течни при стайна температура. Тъй като обещаващите, относително вискозни соли са трудно запалими, те се считат за голяма надежда за бъдещи, незапалими батерии. Като разтворител солите могат да помогнат за разтварянето на целулозата, възстановяването на химикали като кофеин от използваните капсули за кафе и разтварянето на други съединения като метали или протеини от материали.
В зависимост от приложението е необходима хитра комбинация от катиони и аниони, които образуват соли. „Има няколко различни класа катиони и аниони, от които могат да се синтезират йонни течности“, казва Кристиан Шрьодер от Института за изчислителна биологична химия. Тъй като смесите от йонни течности с други (йонни) течности също имат интересни свойства, има твърде много възможности да се тестват всички в лабораторията. „Молекулярните динамични симулации осигуряват важен принос за интерпретацията на експерименталните резултати и помагат при избора на оптималните катиони и аниони“, казва Шрьодер.
Нека молекулите танцуват
"При симулацията на молекулярна динамика (MD) атомите са квазимеки билярдни топки, които са свързани помежду си чрез еластични сили", обяснява теоретичният химик: "Билярдните топки вибрират в молекулите. Молекулите се въртят и се движат в разтвора според класиката Законите на Нютон. Те танцуват в (йонна) двойка или се разделят след известно време, за да намерят нови танцови партньори. "
По принцип квантовата механика би била подходяща за определяне на взаимодействието между йоните. Но тъй като са необходими толкова много катиони и аниони, за да се опише правилно решението, това надхвърля днешния изчислителен капацитет. MD симулациите са по-подходящи за тези системи, тъй като обикновено се приема постоянно разпределение на електроните в молекулата и по този начин се спестява изчислително време.
„Това не е възможно с йонни течности: катионите и анионите на солите променят поляризацията си, когато други катиони или аниони се доближат“, казва Шрьодер: „Електроните също искат да танцуват“. Тези "електронни степени на свобода" трябва да бъдат взети предвид за значими резултати в симулационните модели.
Включена поляризуемост
В обзорната си статия Шрьодер и колегите му хвърлят светлина върху начините на поляризуема симулация на МД: „С малко по-голямо изчислително усилие можем да включим как електронните облаци на атомите реагират на заобикалящите ги молекули и йони“. В своята статия изследователите, водени от Кристиан Шрьодер, стигат до заключението, че два подхода към поляризуема симулация на МД са подходящи за йонни течности: физически и математически подход. И в двата случая към всеки поляризуем атом е прикрепен индуциран дипол, който описва изкривяването на електронната плътност в зависимост от средата.