Коли електронам дозволено танцювати
Дослідники показують можливості поляризованого моделювання з іонними рідинами
Витяг із симуляції іонних рідин за допомогою MD.
Іонні рідини мають особливі властивості, що робить їх цікавими для багатьох застосувань. Залежно від поєднання аніонів і катіонів, рідкі солі можуть бути, наприклад, дуже водою (нерозчинною), провідною або температурно стабільною. Поляризуване моделювання молекулярної динаміки є важливим ключем для кращого розуміння іонних рідин та їх поведінки. Міжнародна дослідницька група під керівництвом Крістіана Шредера з хімічного факультету Віденського університету представляє корисність існуючих поляризуючих моделей для дослідження рідких солей в оглядовій статті в "Хімічні огляди".
У той час як класична кухонна сіль плавиться приблизно при 800 градусах Цельсія, іонні рідини вже є рідиною при кімнатній температурі. Оскільки перспективні, відносно в’язкі солі важко займисті, вони вважаються великою надією для майбутніх негорючих батарей. Як розчинник солі можуть сприяти розчиненню целюлози, відновленню хімікатів, таких як кофеїн, із використаних кавових капсул та розчиненню інших сполук, таких як метали або білки, з матеріалів.
Залежно від застосування, потрібна розумна комбінація катіонів та аніонів, що утворюють солі. "Існує кілька різних класів катіонів та аніонів, з яких можна синтезувати іонні рідини", - говорить Крістіан Шредер з Інституту обчислювальної біологічної хімії. Оскільки суміші іонних рідин з іншими (іонними) рідинами також мають цікаві властивості, існує занадто багато можливостей перевірити їх усі в лабораторії. "Молекулярно-динамічні моделювання забезпечують важливу інформацію для інтерпретації експериментальних результатів та допомагають у виборі оптимальних катіонів та аніонів", - говорить Шредер.
Нехай молекули танцюють
"При моделюванні молекулярної динаміки (МД) атоми є напівм'якими більярдними кулями, які з'єднані між собою пружними силами", - пояснює теоретичний хімік: "Більярдні кульки вібрують усередині молекул. Молекули обертаються і рухаються в розчині згідно класичного Закони Ньютона. Вони танцюють у (іонній) парі або через деякий час розділяються, щоб знайти нових партнерів по танцю ".
В принципі, квантова механіка була б придатною для визначення взаємодії між іонами. Але оскільки для правильного опису рішення потрібно стільки катіонів і аніонів, це перевищує сьогоднішні обчислювальні можливості. МД-моделювання більш придатні для цих систем, оскільки загалом передбачається постійний розподіл електронів у молекулі і, таким чином, економиться обчислювальний час.
"Це неможливо з іонними рідинами: катіони та аніони солей змінюють свою поляризацію, коли інші катіони або аніони наближаються", - говорить Шредер: "Електрони теж хочуть танцювати". Ці "електронні ступені свободи" повинні бути враховані в імітаційних моделях для отримання значущих результатів.
Поляризація включена
У своїй оглядовій статті Шредер та його колеги висвітлюють шляхи поляризованого моделювання MD: "За допомогою трохи більших обчислювальних зусиль ми можемо включити, як електронні хмари атомів реагують на оточуючі їх молекули та іони". У своїй статті дослідники під керівництвом Крістіана Шредера дійшли висновку, що для іонних рідин підходять два підходи до поляризованого моделювання MD: фізичний та математичний. В обох випадках до кожного поляризованого атома прикріплений індукований диполь, який описує спотворення електронної густини залежно від середовища.