Kemikere bruger supercomputere til at forstå opløsningsmidler

For at forstå de grundlæggende egenskaber af et industrielt opløsningsmiddel, kemikere med University of Cincinnati vendte sig mod en supercomputer.

UC kemiprofessor og afdelingsleder Thomas Beck og UC kandidatstuderende Andrew Eisenhart kørte kvantesimuleringer for at forstå glycerolcarbonat, en forbindelse, der bruges i biodiesel og som almindeligt opløsningsmiddel.

De fandt ud af, at simuleringen gav detaljer om hydrogenbinding ved bestemmelse af de strukturelle og dynamiske egenskaber af væsken, der manglede i klassiske modeller. Undersøgelsen blev offentliggjort i Journal of Physical Chemistry B .

Glycerolcarbonat kunne være et mere miljøvenligt kemisk opløsningsmiddel til ting som batterier. Men kemikere skal vide mere om, hvad der foregår i disse løsninger. De undersøgte forbindelserne kaliumfluorid og kaliumchlorid.

"Det studie, vi lavede, giver os en grundlæggende forståelse af, hvordan små ændringer i en molekylær struktur kan have større konsekvenser for opløsningsmidlet som helhed, " sagde Eisenhart. "Og hvordan disse små ændringer gør dets interaktioner med meget vigtige ting som ioner og kan have en effekt på ting som batteriets ydeevne."

Vand er et tilsyneladende simpelt opløsningsmiddel, som enhver, der har rørt sukker i kaffen, kan bevidne.

"Folk har studeret vand i hundreder af år - Galileo studerede oprindelsen af ​​flotation i vand. Selv med al den forskning, vi har ikke en fuldstændig forståelse af vekselvirkningerne i vand, " sagde Beck. "Det er fantastisk, fordi det er et simpelt molekyle, men adfærden er kompleks."

Til kvantesimulering, kemikerne henvendte sig til UC's Advanced Research Computing Center og Ohio Supercomputer Center. Kvantesimuleringer giver et værktøj til at hjælpe kemikere med bedre at forstå interaktioner på atomær skala.

"Kvantesimuleringer har eksisteret i et stykke tid, " sagde Eisenhart. "Men den hardware, der har været under udvikling for nylig - ting som grafikbehandlingsenheder og deres acceleration, når de anvendes på disse problemer - skaber muligheden for at studere større systemer, end vi kunne tidligere."

"Hvordan opløses ioner i denne væske sammenlignet med vand? Først skulle vi forstå, hvad væskens grundlæggende struktur var, " sagde Beck.

Forskningen blev finansieret af en bevilling fra National Science Foundation.

Hvert lithium-ion-batteri indeholder et opløsningsmiddel. At finde en bedre kan forbedre energilagring og effektivitet.

"Verden bevæger sig i en bæredygtig retning. Det er ret klart, at vind og sol vil være to store bidragydere sammen med anden grøn energi, " sagde Beck. "Men den genererede energi er intermitterende. Så du har brug for metoder til storskala energilagring, så hvis det er overskyet i to dage, en by kan blive ved med at køre."