Ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung von molekularen Bewegungen
Unter den experimentellen Methoden zur Erforschung der molekularen Struktur und Dynamik von Mehrkomponentenwerkstoffen hat sich die dielektrische Spektroskopie zu einem wertvollen Werkzeug entwickelt. Dielektrische Spektroskopie deckt derzeit Frequenzen von Mikrohertz bis Terahertz ab, so dass die Untersuchung zahlreicher Phänomene in wässrigen Lösungen, polymeren Verbundstoffen und ferroelektrischen Kristallen möglich ist. Bis das EU-finanzierte Projekt SIDIS (Simulation of dielectric spectra) ins Leben gerufen wurde, wurden Standard-Molekulardynamik-Simulationen eingesetzt, um die Spektren der Dielektrizitätskonstante zu untersuchen. Fortgeschrittene Methoden, die wichtige Prozesse adressieren, welche für die Spitzen in den Spektren verantwortlich, jedoch in ihrem Zeithorizont begrenzt sind, haben noch keinen Eingang in die dielektrische Breitband-Spektroskopie gefunden. Im Rahmen des Projekts SIDIS versuchten die Forscher, diese Lücke zu schließen, indem sie klassische Molekulardynamik-Simulationen mit fortgeschrittenen Stichprobenverfahren ergänzten, um seltene Ereignisse auf effiziente Weise zu erkunden. Insbesondere für die Untersuchung glasbildender Mischungen aus Glycerin und Salz und ionischer Flüssigkeit/Wasser verbanden sie Metadynamik und parallele Vorspannung. Das Team analysierte zunächst die dielektrischen Spektren von neun gängigen Wassermodellen, um einen Hinweis zu finden, welches sich am besten eignet. Qualitativ können alle Modelle die wichtigsten Funktionen des Spektrums reproduzieren. Einige Modelle erwiesen sich jedoch als besser geeignet, um sich der Dielektrizitätskonstante und anderen Parametern wie der Relaxationsfrequenz zu nähern. Diese Erkenntnisse nutzten die Forscher aus SIDIS für den nächsten Schritt, mit dem sie einen neuen Ansatz für Molekulardynamik-Simulationen entwickelten, um so die Senkung der Dielektrizitätskonstante bestimmen zu können, wenn Salz hinzugefügt wird. Sie wiesen nach, dass diese Veränderung durch eine Ionenpaarung verursacht wird. Die mikroskopische Verbindung zwischen Ionenpaaren und dem Auftreten bestimmter Merkmale in den dielektrischen Spektren von Salzlösungen konnte ebenfalls geklärt werden. Darüber hinaus konnten die Forscher mithilfe von Simulationen der nichtgleichgewichtsmolekularen Dynamik die Abnahme der Dielektrizitätskonstante über Salzkonzentrationen berechnen, die mit herkömmlichen Vorgehensweisen nicht möglich waren. Es wird erwartet, dass die im Rahmen von SIDIS durchgeführte Forschung die Verwendung der dielektrischen Spektroskopie für mehr Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler erleichtert.
Schlüsselbegriffe
Dielektrizitätskonstante, Molekulardynamik-Simulationen, dielektrische Spektroskopie, Ionenpaarung
