 |
Investigation of electrolyte solutions by theoretical and experimental methods
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124885 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Bakó, Imre |
| Title in Hungarian |
Elektrolit oldatok vizsgálata elméleti és kísérleti módszerekkel |
| Title in English |
Investigation of electrolyte solutions by theoretical and experimental methods |
| Keywords in Hungarian |
molekuláris dinamika, ab initio molekuláris dinamika, polarizáció, diffrakció, RMC |
| Keywords in English |
molecular dynamics, ab initio molecular dynamics, polarisation, diffraction, RMC |
| Discipline |
| Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Physical chemistry |
|
| Panel |
Natural Sciences Committee Chairs |
| Department or equivalent |
Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Berta, Máté
Csókás, Dániel
Mayer, István
Pethes, Ildikó
Pothoczki, Szilvia
Pusztai, László
|
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2022-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
38.402 |
| FTE (full time equivalent) |
10.29 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Átfogó és mélyreható vizsgálatokat kívánunk végezni a tömény vizes sóoldatok szerkezetét illetően, az alkáli- és alkáli-földfém kationokra, valamint a halogenid anionokra fókuszálva (pl. LiCl, LiI, CsCl, CsF, MgCl2, CaCl2 oldatok). A későbbiekben molekula-anionok, mint pl. a szulfátion, is meg fognak jelenni (pl. MgSO4). Megközelítésünk legfontosabb eleme az ’ab initio’ molekuláris dinamika (AIMD) számítógépes szimulációs módszer, amelyet tömény vizes oldatokra eddig még nem alkalmaztak.
A tervezett kutatómunka magában foglalja a röntgen- és neutrondiffrakció, valamint az EXAFS kísérleti módszereket; az ezekből származó kísérleti adatok elsődlegesen az AIMD eredmények ellenőrzésére fognak szolgálni. Reményeink szerint az AIMD által szolgáltatott szerkezeti függvények képesek lesznek legalább félkvantitatív szinten reprodukálni a kísérleti adatokat (ha esetleg nem, akkor az önmagában is fontos eredmény lenne. Az elektronszerkezetből számolható mennyiségeket (pl. a vízmolekulák dipólusmomentuma; elektronikus állapotsűrűség) is meg fogunk határozni. Az AIMD mellett kiterjedt klasszikus MD számításokat is tervezünk, a vízre, illetve az ionokra vonatkozó számos kölcsönhatási potenciál különféle kombinációit felhasználva. E kombinációk közül a diffrakciós adatokkal való egyezés alapján fogjuk kiválasztani a legsikeresebbeket. A szükség esetén az akár több tízezer részecskét tartalmazó konfigurációkat a Reverse Monte Carlo (RMC) számítógépes eljárás segítségével fogjuk tudni az összes mérési adattal konzisztenssé tenni. Az MD(+RMC) eljárás(ok)ból származó szerkezeteket elsősorban az ionok által perturbált hidrogénkötés-rendszer jellemzésére fogjuk felhasználni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A megcélzott tömény sóoldatokban számos, a szerkezetre vonatkozó alapkérdés mind a mai napig tisztázatlan maradt :
Hogyan érthetjük meg az ionok hidrátburkának viselkedését az elektroneloszlás ismeretében? Hogyan változik a vízmolekulák dipólusmomentuma az iontól való távolság függvényében? Milyen koncentrációk mellett milyen típusú ionpárok alakulnak ki (kontakt, illetve oldószer-szeparált)? Hogyan torzul a hidrogénkötések hálózata nagymennyiségű ion jelenlétében? Milyen szinten képes az elektronszerkezetet explicite figyelembe vevő AIMD módszer a diffrakciós és röntgen-abszorpciós (EXAFS) kísérleti eredmények reprodukálására? Milyen mértékben alkalmazhatók a szerkezet leírására a jelenleg használatos klasszikus kölcsönhatási potenciálok? Melyek a legsikeresebb víz—ion potenciál-kombinációk? Milyen mértékben kompatibilisek egymással az ’ab initio’ és a klasszikus MD eredmények?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatómunka lesz az első alkalom, amikor az ’ab initio’ MD módszert közvetlenül tesztelik nagy ionsűrűségű vizes oldatokban. A kísérleti adatokkal való kedvező összevetés megalapozná a sóoldatokban kialakuló ionpárok jellemzését, valamint a hidrogénkötéses hálózat torzulásának (majd esetleges megszakadásának) leírását az elektronsűrűség-térképek alapján. Minden eddiginél pontosabb képet fogunk kapni a vízmolekulák dipólusmomentumainak megváltozásáról (vagy éppen állandóságáról) ionok, illetve ionpárok környezetében. Ugyancsak elsőként fogjuk kvantitatív módon összevetni a klasszikus és kvantum molekuláris dinamikai számításokat és diffrakciós (valamint röntgenabszorpciós) kísérleti adatokat. A Reverse Monte Carlo módszerrel finomított, több
tízezer részecskét tartalmazó MD konfigurációkra fogjuk végezni a hidrogénkötéses hálózatok analízisét, amiből számos részletkérdést (pl. klaszterméret-eloszlás) minden eddiginél alaposabban megérthetünk. Összességében reálisnak látszik az az elvárás, miszerint a sóoldatok szerkezetének megértését egy magasabb szintre fogjuk tudni helyezni.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az elektrolit oldatok életünk számos területén játszanak meghatározó szerepet (pl. élő sejtek, korrózió, főzés stb.). A víz háromdimenziós hidrogénkötéses hálójában jelentős módosulások következnek be az ionokkal való kölcsönhatások során. Ezen hatások “erősíthetik” vagy “gyengíthetik” a hidrogénkötéseket. A kutatói társadalomban elfogadott kijelentések mögött a hidrogénkötéses hálók topólogiájában, kooperatív tulajdonságaiban (pl. elektronfelhők kiterjedéséhez kapcsolódó tulajdonságok) történő változások rejlenek. Az ion-ion és ion-víz kölcsönhatások a különböző koncentráció-tartományokban más-más tulajdonságokkal bíró hidrogénkötéses szerkezeteket hoznak létre.
Pályázatunk fő célkitűzése magas szintű elméleti és kísérleti módszerek segítségével, kihasználva az ezen módszerek együttes alkalmazásában rejlő egymást segítő, kiegészítő hatást, megérteni, illetve felderíteni, hogy milyen változások következnek be a hidrogénkötéses hálók tulajdonságaiban koncentrált elektrolit oldatokban. Ezen tulajdonságok vizsgálatakor felhasználunk a hálózat-tudomány által kidolgozott, illetve a jelen problémára továbbfejlesztett módszereket is. A lokális tulajdonságok leírásara (pl. hidrogénkötés erőssége, dipólusmomentum megváltozása) kvantumkémiai számolások elvégzését tervezzük, amelyek ezekről kvalitatív, megalapozott információkat szolgáltatnak. Elméleti eredményeinket minden esetben kísérleti (elsősorban diffrakciós) módszerekkel való összevetés alapján ellenőrizzük.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We wish to carry out comprehensive andin-depth experimental and theorathical investigations concerning the structure of concentrated salt solutions, with a focus on alkaline and alkaline earth cations and halide anions (e.g.. LiCl, LiI, CsCl, CsF, MgCl2, CaCl2 solutions). At later stages, molecular anions, such as the sulfate ion, will also be considered (e.g. MgSO4). The primary element of our approach will be the ’ab initio’ molecular dynamics (AIMD) method, which has not been applied to concentrated solutions so far. The proposed research will involve X-ray and neutron diffraction, as well as EXAFS experiments; data from these measurements will primarily be used to assess
the AIMD results. It is hoped that structure factors provided by AIMD would be capable of reproducing these experimental data at an at least semi-quantitative manner (if not then it would be an important conclusion by itself); Quantities related to the electronic structure (e.g. individual dipole moments of water molecules; electronic density of states) will also be determined. Besides AIMD, we also plan to perform extended classical MD simulations, using various combinations of a number of interaction potentials for water and the ions. The most successful combinations will be selected on the basis of agreement with diffraction data. Particle configurations, containing as many as tens of thousands of atoms, may be made consistent with experimental data by the application of the Reverse Monte Carlo (RMC) method. Structures from MD(+RMC) will mainly be exploited for a detailed characterization of the hydrogen bonded network,as it is perturbed by the ions.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
For concentrated salt solutions targeted here, a number of basic issues concerning their structure still need to be clarified: How can we understand the behaviour of the hydration spheres of ions if we know the distribution of electrons? How does the dipole moment of water molecules change as a function of their distance from the ions? What kind of ion pairs (contact; solvent-separated) may form at what concentrations? How does the network of hydrogen bonds become distorted in the presence of large amounts of ions? To what extent the AIMD method, that takes the electronic structure into account explicitly, is able to reproduce diffraction and X-ray absorption (EXAFS) experimental data? To what extent can we rely on structural information provided by computer simulations
using classical interatomic potentials? Which are the most successful combinations of water and ionic potentials? To what extent the outcomes of ’ab initio’ and classical MD simulations are compatible with each other?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed research will provide the first opportunity for testing directly the ’ab initio’ molecular dynamics method in highly concentrated aqueous ionic solutions. Given a favorable comparison with experimental data, we will able to characterize ion pairs, as well as to describe the distortion (and then, the possible disconnection) of the H-bonded network on the basis of electronic density maps. We will obtain the (so far) most precise picture about the change (or perhaps, about the constancy) of the dipole moments of water molecules in the vicinity of ions, and ion pairs. Also the classical and quantum molecular dynamics simulations, and diffraction (and X-ray absorption) experiments will be contrasted with each other or the first time. Large, Reverse Monte Carlo-refined MD particle configurations (with tens of thousands of atoms) will be exploited for extensive analyses of the hydrogen bonded network; from these analyses, essential details (such as cluster size distributions) will be revealed. In summary, it seems to be a realistic expectation that the understanding of the structure of salt solutions will be elevated to new standards.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Electrolyte solutions are of basic importance in many areas of our life, including biology (e.g. living cells), industry (e.g. corrosion) and everyday practice (see e.g. seawater, cooking, protein denaturation etc...). The properties of water, when it interacts with other entities, like ions, differ from those of bulk water; this arises partly from the fact that foreign entities modify the hydrogen bond network of water. It is widely accepted in the literature that ions can enhance or weaken the hydrogen bond structure in water. Understanding the nature of these distortions, the changing topological properties of the water network as a function of the actual ionic species and of concentration is an essential part of the proposed research. We can classify the ion-water interaction according to the Hofmeister series, in which anions and cations are ordered according to their properties of enhancing (structure makers) or weakening (structure breakers) the hydrogen bond (HB) network of water molecules.
The main objective of the present proposal is to provide a highly advanced level of understanding of the structure (and related properties) of concentrated electrolyte solutions. We would like to understand and characterize at atomistic level the effect of ions on water structure. We will characterize these changes with quantum chemical descriptors, too, which quantities are capable of describing the distortion of the electronic cloud around ions and water molecules. During our studies we will always validate the quality of the applied potential models by comparison with experimental data
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
