Struktura in termodinamika tekočin z vodikovimi vezmi: voda in mešanice vode z alkoholi

true

Šifra projekta: N1-0042 (A)
Vodja projekta: prof. dr. Andrej Jamnik
Financiranje: Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS)
Obdobje financiranja: 1. 1. 2016 – 31. 12. 2018

Skupni madžarsko slovenski projekt, kjer madžarska agencija NKFIH deluje v vlogi vodilne agencije

Člani projektne skupine

prof. dr. Jamnik Andrej, vodja projekta
izr. prof. dr. Tomšič Matija
izr. prof. dr. Urbič Tomaž
mag. Cerar Jure

Pri tem projektu raziskujemo strukturne in termodinamske lastnosti tekočin z visokim deležem vodikovih vezi, kot so voda, alkoholi, glikoli ter različne mešanice med njimi. Z uporabo eksperimentalnih tehnik ozkokotnega in širokokotnega rentgenskega sipanja (angl. Small and Wide Angle X-ray Scattering, SWAXS) in nevtronskega sipanja ter računalniškimi simulacijami Monte Carlo (MC) in molekulske dinamike (MD) določamo prostorske medmolekulske korelacije, asociacijo molekul in molekulska zamreženja, ki nastanejo zaradi povezav med molekulami z vodikovimi vezmi. Ukvarjamo se tudi s čisto teoretičnimi raziskavami strukture in termodinamskih lastnosti enostavnih modelnih sistemov, katerih obravnava kaže na asociacijo molekul in na nekatere anomalne lastnosti, ki so sicer značilne za tekočine z vodikovimi vezmi. Z uporabo tehnike reverzne simulacije Monte Carlo (RMC) v povezavi z madžarskimi partnerji skušamo pripraviti nove modelne sisteme molekularnih tekočin z vodikovimi vezmi.  
      Pri teorijskem delu raziskav preverjamo tudi pravilnost klasičnih modelov polj sil, kot so GROMOS96-54a7, TraPPE-UA, CHARMM27, OPLS-AA in AMBER03, za opis termodinamskih in strukturnih lastnosti realnih sistemov. Za ta namen s simulacijami MC in MD, v kombinaciji z metodo 'dopolnjenega sistema', ki smo jo razvili v naši skupini, določamo rentgensko sipanje modelnih sistemov. Primerjava izračunanega sipanja z eksperimentalnimi podatki nam  omogoča oceno pravilnosti posameznih modelov.  
      Pri čisto teoretičnih raziskavah skušamo pojasniti povezavo med strukturo enostavnih modelnih sistemov in njihovimi anomalnimi lastnostmi in nadalje povezavo med temi lastnostmi in faznim prehodom tekoče-tekoče. Za ta namen uporabljamo metode statistične mehanike, kot so integralske enačbe, perturbacijska teorija in teorija gostotnega funkcionala. S termodinamsko perturbacijsko teorijo in računalniško simulacijo MC proučujemo tudi asociacijo molekul v enostavnem modelnem sistemu, ki obravnava molekule kot toge kroglice s privlačno lupino, ki se nahaja znotraj njihovega togega jedra. Odvisno od dolžine vezi med molekulami model dovoljuje tvorbo skupkov z dvema ali več molekulami.
      Pri tem projektu združujemo znanje in izkušnje naše raziskovalne skupine in skupine iz Budimpešte, ki ima dolgo tradicijo pri razvoju in izboljšavah tehnike RMC. V naši skupini se osredotočamo na uporabo eksperimentalne metode SWAXS, ki omogoča raziskave strukture molekularnih tekočin in koloidnih sistemov, ter na teorijske raziskave strukturnih in termodinamskih lastnosti teh sistemov z uporabo metod statistične mehanike.

V prvi fazi poteka projekta smo izvedli meritve rentgenskega sipanja različnih primarnih alkoholov in terminalnih diolov. S simulacijo MD in meritvami SWAXS smo ocenili pravilnost različnih modelov pri opisu strukture n-butanola [COBISS.SI-ID 1537336771]. S podobnim pristopom smo raziskave nadaljevali z uporabo bolj kompleksnih modelov za terminalni 1,4-butandiol [COBISS.SI-ID 1537769155]. Izkazalo se je, da je tovrstno preverjanje uspešnosti različnih modelov na izbranem tipu raziskovane molekule zelo pomembno, saj različni klasični modeli lahko privedejo do zelo različnih rezultatov. Pri čisto teoretičnih raziskavah smo razvili 3D Mercedes-Benz (MB) model vode [COBISS.SI-ID 1537232067]. Poleg faznega prehoda kapljevina plin model napove tudi prehod med dvema tekočima fazama. S termodinamsko perturbacijsko teorijo in računalniško simulacijo MC smo proučevali asociacijo molekul v modelnem sistemu, ki obravnava molekule kot toge kroglice s privlačno lupino, ki se nahaja znotraj njihovega togega jedra. Za model, ki dovoljuje tvorbo skupkov z le dvema ali tremi molekulami, je ujemanje med teorijskimi napovedmi za delež asociiranih molekul ter rezultati simulacij zelo dobro, medtem ko se v primeru tvorbe klastrov z več molekulami teorija obnese nekoliko slabše [COBISS.SI-ID 1537347267]. V limitnem primeru, ko je dolžina vezi med delci enaka nič, sistem kaže neobičajno anomalno fazno obnašanje, to je taljenje pri ohlajanju in zmrzovanje pri segrevanju [COBISS.SI-ID 1537347523].
V drugi fazi projekta smo s simulacijami MD in MC ter meritvami SWAXS proučevali temperaturno odvisnost strukture terminalnih diolov od etilenglikola do 1,5-pentandiola in strukturne značilnosti mešanic vode in t-butanola v celotnem koncentracijskem območju. Analiza uspešnosti posameznih polj sil pri opisu strukture teh sistemov je pokazala tudi potrebo po modifikaciji modelnih sistemov. Zaradi podobnega načina obravnave, to je uporabe eksperimentalne metode rentgenskega sipanja, smo  osnovno tematiko projekta razširili tudi z raziskavami asociacije molekul polisaharidov v vodnih raztopinah. V tem primeru gre za večje polimerne molekule z množico stranskih hidroksilnih skupin, ki z vodikovimi vezmi sodelujejo pri njihovih medsebojnih interakcijah [COBISS.SI-ID 1537177283, COBISS.SI-ID 1537414339, COBISS.SI-ID 1537590979]. Model za vodo, ki smo ga v okviru teorijskih raziskav razvili v prvi fazi projekta, smo razširili na opis solvatacije nepolarnega topljenca v vodni raztopini [COBISS.SI-ID 1537489091]. Zaradi preprostosti model omogoča hiter izračun njegovih termodinamskih lastnosti. Teorijske napovedi teh lastnosti se dobro ujemajo z rezultati računalniške simulacije MC.
V tretji fazi projekta, ki je v teku, smo raziskovali strukturo alifatskih aldehidov in binarnega sistema primarnega alkohola n-pentanola in aldehida pentanala [COBISS.SI-ID 1537820355, COBISS.SI-ID 1537863363]. Zaključili smo tudi raziskavo strukture terminalnih diolov; rezultati teh raziskav so poslani v objavo v revijo Journal of Molecular Liquids. Pripravljamo tudi članek o strukturnih lastnostih mešanic vode in t-butanola ter o njihovi povezavi z viskoznostjo tega sistema. Na področju teorijskih raziskav smo določili hierarhijo anomalij pri preprostem 2D MB modelu vode [COBISS.SI-ID 1537906627] in nadaljevali s parametrizacijo statističnega modela za opis experimentalnih podatkov za vodo; rezultati teh raziskav so poslani v objavo v revijo Journal of American Chemical Society.