Determination of Intermolecular Potential Parameters: Theory and Applications

Para comprender cómo se comportan los gases, desde el aire que respiramos hasta el combustible de un cohete, los científicos deben mirar más allá de lo invisible y examinar las fuerzas invisibles que atraen a los átomos entre sí o los separan. Estas fuerzas no son constantes; cambian dependiendo de qué tan cerca estén dos átomos el uno del otro. Cuando los átomos están lejos, apenas se notan. A medida que se acercan, una atracción suave los une, pero si se acercan demasiado, se repelen ferozmente, como dos imanes forzados con los mismos polos enfrentados. Este delicado equilibrio determina si una sustancia es un gas, un líquido o un sólido, y dicta cómo responde esa sustancia al calor y a la presión. Durante décadas, los investigadores han intentado mapear estas interacciones invisibles con fórmulas matemáticas, creando modelos que predicen cómo se comportarán los átomos bajo cualquier condición. Sin embargo, encontrar los números exactos que hacen que estos modelos funcionen ha sido a menudo un juego de adivinanzas, dependiendo de experimentos difíciles de realizar o de aproximaciones que pasan por alto los detalles más finos del comportamiento atómico.

Un equipo de investigadores de universidades de Turquía ha adoptado ahora un enfoque diferente para resolver este rompecabezas, centrándose en dos gases simples e inertes: el argón y el criptón. Estos elementos son ideales para su estudio porque sus átomos interactúan casi por completo a través de fuerzas débiles y universales que surgen del constante movimiento de sus electrones, en lugar de hacerlo a través de complejos enlaces químicos. Los investigadores querían encontrar los ajustes precisos para tres modelos matemáticos diferentes que describen cómo interactúan estos átomos. Para ello, no dependieron de viejas conjeturas experimentales. En su lugar, utilizaron potentes supercomputadoras para simular los átomos desde cero, calculando la energía de cada posible disposición de dos átomos de argón o dos átomos de criptón a distancias que van desde muy cercanas hasta bastante alejadas. Realizaron estos cálculos utilizando métodos altamente avanzados que tienen en cuenta los movimientos sutiles y colectivos de los electrones, asegurando que los valores de energía que encontraron fueran tan precisos como la ciencia moderna permite.

Una vez que mapearon estos paisajes de energía, los investigadores ajustaron los datos en los tres modelos matemáticos para extraer los parámetros específicos que definen a cada uno. Piense en estos parámetros como los diales de una máquina que controlan qué tan profunda es la atracción y a qué distancia se encuentran los átomos cuando están más cómodos. Para el dímero de argón, la disposición más estable ocurrió cuando los átomos estaban a unos 3.8 ángstroms de distancia, con una energía de enlace de aproximadamente 0.25 kilocalorías por mol. Para el dímero de criptón, los átomos se asentaron a una distancia ligeramente mayor de unos 4.1 ángstroms, con una energía de enlace más fuerte de aproximadamente 0.36 kilocalorías por mol. Al fijar estos valores específicos en sus modelos, el equipo creó un conjunto de reglas que podría predecir cómo se comportarían estos gases en el mundo real.

Para demostrar que sus nuevos números eran correctos, los investigadores los utilizaron para calcular algo llamado segundo y tercer coeficientes viriales. Estos son valores que describen cómo un gas real se desvía del comportamiento ideal, midiendo esencialmente cuánto cambia la atracción o repulsión mutua de los átomos en la presión y el volumen del gas. Realizaron estos cálculos a través de un vasto rango de temperaturas, desde muy frío hasta extremadamente caliente. Los resultados fueron sorprendentes. Cuando compararon sus valores calculados con décadas de datos experimentales recopilados por otros científicos, sus predicciones coincidieron con las mediciones del mundo real con alta precisión. Los modelos que refinaron utilizando sus nuevos números derivados por computadora fueron capaces de reproducir el comportamiento de los gases de argón y criptón a través de todo el espectro de temperatura, confirmando que su método para determinar estas constantes fundamentales era sólido.

Este trabajo demuestra que es posible derivar las reglas fundamentales de la interacción atómica directamente de las leyes de la física, sin necesidad de depender del ajuste de ensayo y error con datos experimentales. Los investigadores demostraron que, mediante el uso de simulaciones de mecánica cuántica de alto nivel, podían determinar los parámetros exactos para los modelos de potencial de Lennard-Jones, Morse y Kihara con un nivel de precisión que iguala o supera a los métodos experimentales tradicionales. Sus hallazgos sugieren que, para sistemas simples como los gases nobles, la forma más precisa de entender sus propiedades termodinámicas es calcular las fuerzas entre ellos a partir de los primeros principios. Aunque el estudio se centró en el argón y el criptón, el método que desarrollaron es lo suficientemente general como para aplicarse a otros átomos y moléculas, ofreciendo un camino nuevo y fiable para que los científicos predigan el comportamiento de fluidos y gases en aplicaciones científicas e industriales complejas.