Skuteczne narzędzie do badania ruchów cząsteczek
Wśród metod doświadczalnych stosowanych do badania struktury i dynamiki molekularnej materiałów wielokomponentowych, spektroskopia dielektryczna postrzegana jest jako szczególnie przydatne narzędzie. Spektroskopia dielektryczna obejmuje aktualnie częstotliwości od mikrohertzów do terahertzów i umożliwia badanie wielu różnych zjawisk w roztworach wodnych, kompozytach polimerowych i kryształach ferroelektrycznych. W ramach projektu SIDIS (Simulation of dielectric spectra), finansowanego ze środków UE, wykorzystano standardowe symulacje dynamiki molekularnej, aby zbadać widma przenikalności dielektrycznej. Zaawansowane metody umożliwiające badanie ważnych procesów odpowiedzialnych za wartości szczytowe widma, ale ograniczone w skali czasu, nie trafiły jeszcze do szerokopasmowej spektroskopii dielektrycznej. W ramach projektu SIDIS naukowcy starali się wypełnić tę lukę poprzez uzupełnienie klasycznych symulacji dynamiki molekularnej przy pomocy udoskonalonych technik próbkowania w celu efektywnego wykorzystania rzadkich zdarzeń. W badaniach tworzącej szkło gliceryny i soli oraz mieszanin cieczy jonowych i wody połączono metadynamikę i metodę "parallel tempering". Pierwszy zespół przeanalizował widma dielektryczne dziewięciu popularnych modeli wody, aby móc wybrać najbardziej odpowiedni z nich. W wymiarze jakościowym, wszystkie modele umożliwiają symulowanie najważniejszych cech widma. Niektóre z nich okazały się jednak lepiej aproksymować przenikalność dielektryczną i inne parametry, takie jak częstotliwość relaksacji. Rozwijając te ustalenia, uczeni opracowali nową metodę symulacji dynamiki molekularnej, umożliwiającą określanie obniżania się przenikalności dielektrycznej po dodaniu soli. Wykazano, że zmiana ta wywołana jest tworzeniem się par jonów. Wyjaśniono także mikroskopowe połączenie między parami jonów oraz pojawianie się określonych cech w widmach dielektrycznych roztworów soli. Ponadto, przy pomocy symulacji dynamiki molekularnej stanu nierównowagi, naukowcy mogli obliczyć ubytek stężeń soli, niedający się zmierzyć konwencjonalnymi metodami. Badania przeprowadzone w ramach projektu SIDIS powinny umożliwić korzystanie ze spektroskopii dielektrycznej szerszemu gronu chemików, fizyków i badaczy materiałowych.
Słowa kluczowe
Przenikalność dielektryczna, symulacje dynamiki molekularnej, spektroskopia dielektryczna, tworzenie par jonów
