Determination of Intermolecular Potential Parameters: Theory and Applications

Per comprendere come si comportano i gas, dall'aria che respiriamo al carburante in un razzo, gli scienziati devono guardare oltre l'invisibile ed esaminare le forze invisibili che spingono gli atomi l'uno verso l'altro o li respingono. Queste forze non sono costanti; cambiano a seconda di quanto due atomi siano vicini tra loro. Quando gli atomi sono lontani, si notano appena. Man mano che si avvicinano, una leggera attrazione li tira insieme, ma se si avvicinano troppo, si respingono ferocemente, come due magneti forzati con gli stessi poli rivolti l'uno verso l'altro. Questo delicato equilibrio determina se una sostanza sia un gas, un liquido o un solido, e detta il modo in cui quella sostanza risponde al calore e alla pressione. Per decenni, i ricercatori hanno cercato di mappare queste interazioni invisibili con formule matematiche, creando modelli che prevedano come gli atomi si comporteranno in qualsiasi condizione. Tuttavia, trovare i numeri esatti che rendano funzionanti questi modelli è stato spesso un gioco di tentativi ed errori, basato su esperimenti difficili da eseguire o su approssimazioni che trascurano i dettagli più fini del comportamento atomico.

Un team di ricercatori provenienti da università della Turchia ha ora adottato un approccio diverso per risolvere questo enigma, concentrandosi su due gas semplici e inerti: l'argon e il krypton. Questi elementi sono ideali per lo studio perché i loro atomi interagiscono quasi interamente attraverso deboli forze universali che derivano dal costante tremolio dei loro elettroni, piuttosto che attraverso complessi legami chimici. I ricercatori volevano trovare le impostazioni precise per tre diversi modelli matematici che descrivono come questi atomi interagiscono. Per farlo, non si sono affidati a vecchi tentativi sperimentali. Invece, hanno utilizzato potenti supercomputer per simulare gli atomi partendo da zero, calcolando l'energia di ogni possibile disposizione di due atomi di argon o due di krypton a distanze che vanno da molto vicine a piuttosto lontane. Hanno eseguito questi calcoli utilizzando metodi altamente avanzati che tengono conto dei sottili movimenti collettivi degli elettroni, assicurando che i valori di energia trovati fossero accurati quanto la scienza moderna permette.

Una volta mappati questi paesaggi energetici, i ricercatori hanno adattato i dati nei tre modelli matematici per estrarre i parametri specifici che definiscono ciascuno di essi. Pensate a questi parametri come alle manopole di una macchina che controllano quanto sia profonda l'attrazione e a quale distanza si trovino gli atomi quando sono più a proprio agio. Per il dimero di argon, la disposizione più stabile si verificava quando gli atomi erano a circa 3,8 angstrom di distanza, con un'energia di legame di circa 0,25 kilocalorie per mole. Per il dimero di krypton, gli atomi si assestavano a una distanza leggermente maggiore di circa 4,1 angstrom, con un'energia di legame più forte di circa 0,36 kilocalorie per mole. Fissando questi valori specifici nei loro modelli, il team ha creato un insieme di regole che potevano prevedere come questi gas si sarebbero comportati nel mondo reale.

Per dimostrare che i loro nuovi numeri erano corretti, i ricercatori li hanno utilizzati per calcolare quelli che vengono chiamati il secondo e il terzo coefficiente viriale. Questi sono valori che descrivono come un gas reale si discosti dal comportamento ideale, misurando essenzialmente quanto l'attrazione o la repulsione reciproca degli atomi modifichi la pressione e il volume del gas. Hanno eseguito questi calcoli attraverso un vasto intervallo di temperature, da molto fredde a estremamente calde. I risultati sono stati sorprendenti. Quando hanno confrontato i loro valori calcolati con decenni di dati sperimentali raccolti da altri scienziati, le loro previsioni hanno corrisposto alle misurazioni del mondo reale con alta precisione. I modelli che hanno perfezionato utilizzando i loro nuovi numeri derivati dal computer sono stati in grado di riprodurre il comportamento dei gas di argon e krypton attraverso l'intero spettro delle temperature, confermando che il loro metodo di determinazione di queste costanti fondamentali era solido.

Questo lavoro dimostra che è possibile derivare le regole fondamentali dell'interazione atomica direttamente dalle leggi della fisica, senza dover fare affidamento sull'adattamento per tentativi ed errori ai dati sperimentali. I ricercatori hanno dimostrato che, utilizzando simulazioni di meccanica quantistica di alto livello, potevano determinare i parametri esatti per i modelli di potenziale di Lennard-Jones, Morse e Kihara con un livello di accuratezza che rivaleggia o supera i metodi sperimentali tradizionali. Le loro scoperte suggeriscono che, per sistemi semplici come i gas nobili, il modo più accurato per comprendere le loro proprietà termodinamiche è calcolare le forze tra di essi partendo dai primi principi. Sebbene lo studio si sia concentrato su argon e krypton, il metodo sviluppato è abbastanza generale da poter essere applicato ad altri atomi e molecole, offrendo una nuova, affidabile via per permettere agli scienziati di prevedere il comportamento di fluidi e gas in complesse applicazioni industriali e scientifiche.