Determination of Intermolecular Potential Parameters: Theory and Applications

لفهم كيفية سلوك الغازات، بدءاً من الهواء الذي نتنفسه وصولاً إلى الوقود في الصواريخ، يجب على العلماء النظر إلى ما وراء غير المرئي وفحص القوى الخفية التي تجذب الذرات معاً أو تدفعها بعيداً عن بعضها البعض. هذه القوى ليست ثابتة؛ فهي تتغير اعتماداً على مدى قرب ذرتين من بعضهما البعض. فعندما تكون الذرات متباعدة، فإنها لا تلاحظ بعضها البعض إلا نادراً. ومع اقترابها، يسحبها جذب لطيف نحو بعضها، ولكن إذا اقتربت أكثر من اللازم، فإنها تتنافر بشدة، مثل مغناطيسين أُجبرا على التقارب بقطبين متماثلين. هذا التوازن الدقيق هو ما يحدد ما إذا كانت المادة غازاً، أو سائلاً، أو صلباً، وهو ما يملي كيفية استجابة تلك المادة للحرارة والضغط. لعقود من الزمن، حاول الباحثون رسم خرائط لهذه التفاعلات غير المرئية باستخدام صيغ رياضية، وإنشاء نماذج تتنبأ بكيفية سلوك الذرات تحت أي ظرف. ومع ذلك، فإن العثور على الأرقام الدقيقة التي تجعل هذه النماذج تعمل كان غالباً بمثابة لعبة تخمين، تعتمد على تجارب يصعب إجراؤها أو على تقريبات تغفل التفاصيل الدقيقة للسلوك الذري.

لقد اتبع فريق من الباحثين من جامعات في تركيا الآن نهجاً مختلفاً لحل هذا اللغز، من خلال التركيز على غازين خاملين وبسيطين: الأرجون والكريبتون. وتعد هذه العناصر مثالية للدراسة لأن ذراتها تتفاعل بالكامل تقريباً من خلال قوى ضعيفة وعالمية تنشأ من الاهتزاز المستمر لإلكتروناتها، بدلاً من الروابط الكيميائية المعقدة. أراد الباحثون إيجاد الإعدادات الدقيقة لثلاثة نماذج رياضية مختلفة تصف كيفية تفاعل هذه الذرات. وللقيام بذلك، لم يعتمدوا على التخمينات التجريبية القديمة، بل استخدموا حواسيب فائقة القدرة لمحاكاة الذرات من الصفر، وحساب طاقة كل ترتيب محتمل لذرتين من الأرجون أو ذرتين من الكريبتون عند مسافات تتراوح من القرب الشديد إلى البعد الكبير. وقد أجروا هذه الحسابات باستخدام أساليب متقدمة للغاية تأخذ في الاعسبار الحركات الجماعية الدقيقة للإلكترونات، مما يضمن أن قيم الطاقة التي وجدوها كانت دقيقة بقدر ما يسمح به العلم الحديث.

بمجرد رسم خرائط لمساحات الطاقة هذه، قام الباحثون بملاءمة البيانات في النماذج الرياضية الثلاثة لاستخراج المعلمات المحددة التي تحدد كل نموذج منها. فكر في هذه المعلمات كأدوات التحكم (الأزرار) في آلة تتحكم في مدى عمق الجذب والمسافة التي تستقر عندها الذرات عندما تكون في أكثر حالات راحتها. بالنسبة لثنائي الأرجون (argon dimer)، حدث الترتيب الأكثر استقراراً عندما كانت الذرات على بعد حوالي 3.8 أنجستروم، مع طاقة ربط تبلغ حوالي 0.25 كيلو كالوري لكل مول. أما بالنسبة لثنائي الكريبتون (krypton dimer)، فقد استقرت الذرات على مسافة أوسع قليلاً تبلغ حوالي 4.1 أنجستروم، مع طاقة ربط أقوى تبلغ حوالي 0.36 كيلو كالوري لكل مول. ومن خلال تثبيت هذه القيم المحددة في نماذجهم، أنشأ الفريق مجموعة من القواعد التي يمكنها التنبؤ بكيفية سلوك هذه الغازات في العالم الحقيقي.

ولإثبات صحة أرقامهم الجديدة، استخدم الباحثون هذه الأرقام لحساب ما يسمى بالمعاملات الفيريال الثانية والثالثة. وهذه القيم تصف كيف ينحرف الغاز الحقيقي عن السلوك المثالي، وهي تقيس أساساً مدى تغير التجاذب أو التنافر المتبادل بين الذرات في الضغط والحجم. وقد أجروا هذه الحسابات عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، من البرودة الشديدة إلى الحرارة الفائقة. وكانت النتائج مذهلة؛ فعندما قارنوا قيمهم المحسوبة مقابل عقود من البيانات التجريبية التي جمعها علماء آخرون، تطابقت توقعاتهم مع القياسات الواقعية بدقة عالية. لقد تمكنت النماذج التي طوروها باستخدام أرقامهم المشتقة حاسوبياً من إعادة إنتاج سلوك غازات الأرجون والكريبتون عبر كامل طيف درجات الحرارة، مما أكد أن طريقتهم في تحديد هذه الثوابت الأساسية هي طريقة سليمة.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن اشتقاق القواعد الأساسية للتفاعل الذري مباشرة من قوانين الفيزياء، دون الحاجة إلى الاعتماد على الملاءمة القائمة على التجربة والخطأ للبيانات التجريبية. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال استخدام عمليات محاكاة ميكانيكا الكم عالية المستوى، يمكنهم تحديد المعلمات الدقيقة لنماذج جهد "لينارد-جونز" (Lennard-Jones)، و"مورس" (Morse)، و"كيهارا" (Kihara) بمستوى من الدقة يضاهي أو يتجاوز الطرق التجريبية التقليدية. وتشير نتائجهم إلى أنه بالنسبة للأنظمة البسيطة مثل الغازات النبيلة، فإن الطريقة الأكثر دقة لفهم خصائصها الديناميكية الحرارية هي حساب القوى بينها من المبادئ الأولية. وبينما ركزت الدراسة على الأرجون والكريبتون، فإن الطريقة التي طوروها عامة بما يكفي لتطبيقها على الذرات والجزيئات الأخرى، مما يوفر مساراً جديداً وموثوقاً للعلماء للتنبؤ بسلوك السوائل والغازات في التطبيقات الصناعية والعلمية المعقدة.