Teoretiske fysikere løfter sløret for et af de mest allestedsnærværende og undvigende begreber i kemi

Oxidationstal har hidtil unddraget sig enhver streng kvantemekanisk definition. En ny SISSA undersøgelse, udgivet i Naturfysik , giver en sådan definition baseret på teorien om topologiske kvantetal, som blev hædret med 2016 Nobelprisen i fysik, tildelt Thouless, Haldane og Kosterlitz. Dette resultat, kombineret med de seneste fremskridt inden for transportteorien opnået ved SISSA, baner vejen for en nøjagtig, dog medgørlig, numerisk simulering af en bred klasse af materialer, der er vigtige i energirelaterede teknologier og planetariske videnskaber.

Hver bachelorstuderende inden for naturvidenskab lærer, hvordan man knytter et heltalsoxidationstal til en kemisk art, der deltager i en reaktion. Desværre, selve begrebet oxidationstilstand har hidtil unddraget sig en streng kvantemekanisk definition, så ingen metode var kendt indtil nu til at beregne oxidationstal ud fra de fundamentale naturlove, endsige demonstrere, at deres brug i simulering af ladningstransport ikke ødelægger kvaliteten af ​​numeriske simuleringer. På samme tid, evaluering af elektriske strømme i ionledere, som er påkrævet for at modellere deres transportegenskaber, er i øjeblikket baseret på en besværlig kvantemekanisk tilgang, der i høj grad begrænser gennemførligheden af ​​computersimuleringer i stor skala. Forskere har på det seneste bemærket, at en forenklet model, hvor hvert atom bærer en ladning svarende til dets oxidationstal, kan give resultater i overraskende god overensstemmelse med strenge, men meget dyrere tilgange. Ved at kombinere den nye topologiske definition af oxidationstal med den såkaldte "gauge-invarians" af transportkoefficienter, for nylig opdaget hos SISSA, Federico Grasselli og Stefano Baroni beviste, at det, der blev betragtet som en ren tilfældighed, faktisk står på solide teoretiske grunde, og at den simple heltal-ladningsmodel fanger de elektriske transportegenskaber af ioniske ledere uden nogen tilnærmelser.

Udover at løse en grundlæggende gåde inden for kondenseret stofs fysik, dette resultat, opnået inden for rammerne af det europæiske MAX Center of Excellence for supercomputing-applikationer, repræsenterer også et gennembrud for applikationer, muliggør beregningsmæssigt gennemførlige kvantesimuleringer af ladningstransport i ioniske systemer af afgørende betydning i energirelaterede teknologier, inden for bil- og telekommunikationssektoren, såvel som i planetariske videnskaber. Sådanne anvendelser spænder fra de ioniske blandinger, der anvendes i elektrolyseceller og varmevekslere i kraftværker, til solid-state-elektrolyt-batterier til elbiler og elektroniske enheder, og endda til de ledende eksotiske faser af vand, der forekommer i det indre af iskolde giganter, som formodes at være relateret til oprindelsen af ​​magnetfelterne i disse planeter.