Forskere testede med succes ny vandsimuleringsprotokol

Vand kan virke som en kendt mængde. Der er, imidlertid, stadig aspekter af vand, der forbliver ukendte for forskerne. Rent vand, det er vand uden yderligere spormateriale, har stadig komplekse egenskaber, som endnu ikke er fuldt ud forstået af videnskabsmænd. For at låse disse egenskaber op, forskere bruger tæthedsfunktionel teori (DFT), en ramme af elektronisk struktur, at studere kræfterne og samspillet mellem vandmolekyler. Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) forskere ledet af Mirza Galib, Gregory K. Schenter og Christopher J. Mundy testede en justeret DFT-simuleringsprotokol for at bevise, at den kan udvides til at simulere mere komplekse vandegenskaber. Testene viste sig at være vellykkede til at simulere baseline vandmålinger.

Vand er vildledende i sin kompleksitet. Rent vand indeholder et hydrogenbindingsnetværk på grund af de negative oxygenioner, der ønsker at binde sig til de positive brintioner. Mange af vandets egenskaber afhænger af at skabe og bryde disse brintbindinger og en vis hastighed, tid og energi. For flydende vand i nogle komplicerede, stressede og heterogene omgivelser, nogle af vandets egenskaber er endnu ikke fuldt ud forstået. Forskere bruger computersimuleringer til at simulere disse egenskaber. Disse simuleringer skal kalibreres korrekt for at sikre kvaliteten af ​​de producerede data. Vand er et universelt opløsningsmiddel. Dens egenskaber og respons styrer mange processer og fænomener. Dens grundlæggende forståelse kan udvides til løsning af praktisk sundhed, energi og miljøudfordringerne.

"Vand er virkelig kompliceret ud fra et kemisynspunkt, " siger Galib, kemiker. "Så at tune disse simuleringer til at være nøjagtige er en reel udfordring."

Vandets dynamiske og strukturelle egenskaber kan analyseres gennem avancerede computersimuleringer. Ved at bruge kraftige computere, forskere har brugt kvantemekanisk teknik, der er funderet i DFT. En kvantemekanisk metode, DFT bruges i fysik, kemi og materialevidenskab til at undersøge den elektroniske struktur af molekyler, som henviser til egenskaberne af elektroner i det elektrostatiske felt, der omgiver kernerne.

DFT er ikke uden sine fejl. Der har været mange undersøgelser af effektiviteten og nøjagtigheden af ​​DFT, især når det drejer sig om bulk- og grænsefladevandsegenskaber. Udfordringen for forskere er at bygge videre på DFT for at skabe en protokol, der effektivt kan simulere komplekse og nøjagtige vandegenskaber.

"Hvis vi er gode nok til at forstå kræfterne mellem molekyler ved hjælp af værktøjer fra statistisk mekanik, vi kan tune, forudsige, kontrollere og forstå disse komplekse egenskaber, " siger Schenter, kemiforsker.

Med det i tankerne, PNNL-forskerne testede en revideret version af Perdew-Burke-Ernzerhof plus Grimmes tredje generation af dispersion (revPBE-D3) for at simulere et klart billede af massetæthedsudsving i rent vand.

Testen viste, at revPBE-D3-protokollen er nøjagtig til at bestemme baseline målinger af rent vand. Ud over, resultaterne bekræftede tidligere undersøgelser af brug af DFT-interaktionspotentialer og ryddede op i uoverensstemmelser i termodynamiske vandegenskaber.

Efter at have bevist, at revPBE-D3 er nøjagtig til at simulere baseline vandegenskaber, det næste trin er at teste mere komplekse simuleringer ved hjælp af den samme protokol.