The influence of pressure and temperature on the structure of alcohol-water mixtures  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
130425
Type KH
Principal investigator Pusztai, László
Title in Hungarian A nyomás és a hőmérséklet hatása alkohol-víz elegyek szerkezetére
Title in English The influence of pressure and temperature on the structure of alcohol-water mixtures
Keywords in Hungarian folyadékszerkezet; nyomásfüggés; hőmérsékletfüggés; röntgendiffrakció; neutrondiffrakció; számítógépes szimuláció
Keywords in English liquid structure; pressure dependence; temperature dependence; X-ray diffraction; neutron diffraction; computer simulation
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)60 %
Ortelius classification: Condensed matter properties
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)40 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel Physics
Department or equivalent Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Jóvári, Pál
Pethes, Ildikó
Temleitner, László
Starting date 2018-12-01
Closing date 2021-08-31
Funding (in million HUF) 19.594
FTE (full time equivalent) 3.58
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 vizsgálatokat kívánunk végezni egyes hidrogénkötést tartalmazó folyadékok, elsősorban az egyszerű, ill. elágazó láncú alkoholok vizes oldatainak szerkezetét illetően, fókuszálva ezen tulajdonság hőmérséklet- (150-től 600 K-ig) és nyomásfüggésére (1 bar-tól kb. 15 kbar-ig) . Megközelítésünk magában foglalja a röntgen- és neutrondiffrakció, valamint szükség szerint a kisszögű röntgen- és neutronszórás (SAXS és SANS) kísérleti módszereket. A hőmérséklet, és elsősorban a nyomás változtatásának igénye különleges kísérleti berendezések alkalmazását jelenti, mint amilyenek például az energiadiszperzív röntgenszórást (EDXD) alkalmazók. E berendezések nagy nemzetközi (pl. Franciaország, Japán) röntgen- és neutroncentrumokban találhatók; velük kapcsolatban az adatkiértékelés metódusait is szükséges fejleszteni, ami minimum a folyadékszerkezetre való adaptálást fogja jelenteni. A feldolgozott kísérleti adatok értelmezéséhez több tízezer részecskét tartalmazó szerkezeti modelleket fogunk készíteni a Reverse Monte Carlo (RMC) számítógépes eljárás segítségével, amelyek az összes felsorolt kísérleti eredménnyel konzisztensek lesznek. A széles körben alkalmazott molekuláris dinamikai (MD) számítógépes szimulációkból kapott szerkezeti információt is integrálni fogjuk szerkezeti modelljeinkbe. E szerkezetek megbízhatóbbak lesznek a vizsgált molekuláris folyadékok jelenleg ismert összes szerkezeti modelljénél, valamint minden eddiginél megbízhatóbb információhoz fogunk jutni a hőmérséklet- és nyomásfüggést illetően is. A javasolt kutatómunka szerves folytatása az etanol-víz elegyek szerkezetét taglaló 'kiváló közlemény'-nek, amelyre a jelen pályázat alapul.

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.
Kutatásunk alapkérdése: hogyan befolyásolja a hőmérséklet és a nyomás változása a vizsgálandó, ’legegyszerűbb komplex’ folyadékokban kialakuló hidrogénkötéses hálózatokat? Mindezekkel kapcsolatban azt is meg kívánjuk vizsgálni, hogy milyen mértékben alkalmazhatók a szerkezet, illetve a szerkezet megváltozásának leírására a jelenleg használatos klasszikus kölcsönhatási potenciálok?

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 kutatómunka során előállított szerkezetek megbízhatóbbak lesznek a vizsgált, hidrogénkötések által dominált, molekuláris folyadékok jelenleg ismert összes szerkezeti modelljénél. Az RMC_POT eljárással készült modellek ezen felül energetikai szempontból megbízhatóbbak lesznek a korábbi RMC- és EPSR-alapú szerkezeteknél is. A hidrogénkötéses hálózatok analíziséből számos részletkérdést (pl. klaszterméret-eloszlás) minden eddiginél alaposabban megérthetünk. Az alkalmazott szimulációs modellek teljesítőképességét is képesek leszünk megítélni a szerkezet szempontjából. Egy kiemelkedően fontos területet mindenképpen érdemes külön is megnevezni, ahol a megértés szintjének ugrásszerű fejlődésétt várjuk: ez az asszociátumok kialakulása és felbomlása ('önszerveződés és degradáció') egyes víz-alkohol elegyekben, a termodinamikai változók függvényében. Miután a biológiai relevanciával bíró rendszerek (pl. fehérjeoldatok) működőképessége kényes (termodinamikai és kémiai) egyensúlyon alapul, a hőmérséklet és a nyomás hatásának pontos ismerete létfontosságú.

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.
A mindennapi életben is gyakran megjelenő folyékony halmazállapotú anyagok, mint pl. a különböző víz-alkohol elegyek (mint amilyenek pl. a szeszesitalok és a fagyálló-keverékek) átfogó szerkezeti vizsgálatát tervezzük, a hőmérséklet és a nyomás változásának függvényében. A méretskála az atomi távolságok tartománya, ami a milliméter egymilliomod részénél is kisebb. Kísérleti eszközeink az elektrongyorsítók mellett található röntgen-, illetve a nukleáris kutatóreaktorok mellé telepített neutronszórást vizsgáló nagyberendezések. Azon rendszerek szerkezetvizsgálatát, amelyben a molekuláris mérettartományt egy nagyságrenddel meghaladó méretű asszociátumok is találhatók, kisszögű röntgen- és neutronszórást vizsgáló készülékkel fogjuk végezni. A mérési adatok értelmezését számítógépes modellezéssel és elméleti számításokkal segítjük elő. Olyan, több tízezer részecskét tartalmazó szerkezeti modelleket fogunk készíteni a Reverse Monte Carlo (RMC) számítógépes eljárás segítségével, amelyek az összes felsorolt kísérleti eredménnyel hibán belül egyezni fognak.
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 investigations concerning the structure of aqueous solutions of simple and branched-chain alcohols, focusing on the temperature (between 150 and 600 K) and pressure (between 1 bar and 15 kbar) dependence of this essential property. Our approach will involve the methods of X-ray and neutron diffraction, as well as – if the need arises – small angle X-rays (SAXS) and neutron (SANS) scattering. Investigating temperature, and particularly, pressure, dependence requires the usage of special scientific instruments, such as those that work with energy dispersive X-ray diffraction (EDXD). The appropriate instruments are typically found in large international centres (e.g., in France and Japan) of X-ray and neutron science; in conjunction with these instruments, it will be necessary to develop procedures of data corrections, at least at the level of adopting existing software for dealing with liquids. For the interpretation of corrected experimental data, structural models, containing tens of thousands of particles, will be prepared by using the Reverse Monte Carlo (RMC) modelling technique, so that a single (set of) model(s) will be consistent with the results of all experiments. We will integrate structural information obtained via widely spread molecular dynamics computer simulation techniques into our structural models. Resulting structural models will be superior to all existing models of the structure, and also, of its variations with temperature and pressure, of hydrogen bonded molecular liquids. The research plan is the organic consequence of the 'outstanding publication' that forms the basis of this proposal.

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.
The basic question of the present proposal is: how changing temperature and pressure influence hydrogen bonded networks that form in these ’simplest of the complex’ systems? In conjunction with this major issue, we also wish to determine the extent can we rely on structural information provided by computer simulations using classical interatomic potentials.

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.
Structural models prepared during the proposed research will be superior to existing models of the structure of hydrogen bonded molecular liquids. Moreover, structures prepared via the RMC_POT technique will be more reliable in terms of energy-considerations than previous RMC- and EPSR-based models. Upon analysing hydrogen bonded networks, quite a few details (e.g., distribution of cluster sizes) will be clarified. We will be able to assess capbilities of existing potential models (’force fields’) from the point of view of the structure. Here we wish to name an outstanding area where the level of understanding will improve considerably: this is formation and decomposition of associations ('self organisation and degradation') in some water-alcohol mixtures, as a function of the thermodynamic variables. Since the operability of systems with biologicl relevance (e.g., protein solutions) is based on delicate (thermodynamic and chemical) equlibirium, precise knowledge of the influence of temperature and pressure is vital.

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.
We propose a comprehensive structural investigation of liquid materials that are encountered frequently in our everyday life, such as various water-alcohol mixtures (like alcoholic beverages and anti-freezing liquids), as a function of temperature and pressure. The size domain is related to atomic separations, which corresponds to smaller distances than the one-millionth of a millimeter. Our experimental tools are X-ray and neutron scattering instruments, that are typically found at large scale electron accelerators and nuclear research reactors. Investigations of liquids that contain associations that are one order of magnitude larger than the molecular scale will be complemented by small angle X-ray and neutron scattering measurements. Interpretation of the experimental data is facilitated by computer modeling. We will prepare large structural models by using the Reverse Monte Carlo (RMC) computer technique, containing tens (occasionally: hundreds) of thousands of particles, that match all the experimental results mentioned above, within errors.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Alkohol-víz elegyek szerkezetének nyomás- és hőmérsékletfüggését vizsgáltuk, a folyadék-keverékek összetételének függvényében röntgen- és neutrondiffrakciós kísérletek, valamint számítógépes szimulációk segítségével. A vizsgált alkoholok köre: metanol, etanol, normál és izopropanol, valamint a tercier-butanol, amelyek mind korlátlanul keverednek vízzel. A molekuláris dinamikai szimulációk során a mért adatokat kívántuk reprodukálni: ez az oldatok többségére minimum félkvantitatív szinten sikerült is. Az ilyen esetekben a szimulációs modellekben kialakult részecske-elrendeződéseket tekinthetjük a valós szerkezet hű másának, így tanulmányozhatunk olyan jellemzőket is, amelyek kísérletekből közvetlenül nem érhetők el. Ezen az úton deríthettünk fényt például az alkohol-víz legyekben formálódó, hidrogénkötésekkel összetartott aggregátumokra, pl. gyűrűkre és láncszerű klaszterekre. Meghatároztuk a perkolációs küszöböt is: úgy találtuk, hogy már egészen kevés, kb. 10-20 mól%-nyi víz hozzáadása elegendő ahhoz, hogy a teljes rendszert átszövő hidrogénkötéses hálózat alakuljon ki. E koncentráció-küszöböt a növekvő nyomás és hőmérséklet egyaránt emelik.
Results in English
The pressure and temperature dependence of the structure of alcohol-water liquid mixtures have been studied, also as a function of the composition, via X-ray and neutron diffraction experiments, as well as via computer simulations. The set of alcohols contained methanol, ethanol, normal- and iso-propanol and tertier butanol: all of them are fully miscible with water. Using molecular dynamics simulations, we wished to reproduce measured data: this could be achieved at an at least semi-quantitive level for most of the solutions considered. In such instances it can be argued that particle configurations provided by computer simulations can be considered as close copies of the real microscopic structure. This way, it is possible to reveal characteristics that cannot be obtained directly by experiments. Via this route, we have been able to shed light on hydrogen-bonded aggregates that can form in alcohol-water mixtures, like rings and chain-like clusters. We have determined the percolation threshold, as well: it has been found that adding very little amount of water, between 10 and 20 molar %, to pure alcohols is sufficient for the formation of 3D hydrogen-bonded networks that span the entire system. Increasing both pressure and temperature raise this concentration threshold.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=130425
Decision
Yes





 

List of publications

  
Temleitner, L.; Hattori, T; Abe, J; Nakajima, Y; Pusztai, L: Pressure-Dependent Structure of Methanol–Water Mixtures up to 1.2 GPa: Neutron Diffraction Experiments and Molecular Dynamics Simulations, Molecules 26(5), 1218, 13 p, 2021
Cerar, J; Jamnik, A; Pethes, I; Temleitner, L; Pusztai, L; Tomšič, M: Structural, rheological and dynamic aspects of hydrogen-bonding molecular liquids: Aqueous solutions of hydrotropic tert-butyl alcohol, J. Coll. Interf. Sci., in press; DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.10.094., 2019
Pothoczki, Sz; Pusztai, L; Bakó, I: Molecular Dynamics Simulation Studies of the Temperature Dependent Structure and Dynamics of Isopropanol-Water Liquid Mixtures at Low Alcohol Content, J. Phys Chem. B; 123, 7599-7610; DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b05631, 2019
Cerar, J; Jamnik, A; Pethes, I; Temleitner, L; Pusztai, L; Tomšič, M: Structural, rheological and dynamic aspects of hydrogen-bonding molecular liquids: Aqueous solutions of hydrotropic tert-butyl alcohol, J. Coll. Interf. Sci., 560, pp. 730-742, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.10.094., 2020
Pethes, I; Piarristeguy,A; Pradel, A; Michalik, S; Nemausat, R; Darpentigny, J; Jóvári P: Short range order and topology of GexGaxTe100-2x glasses, Journal of Alloys and Compounds 834, 155097, 2020
Pethes, I; Bakó, I; Pusztai, L: Chloride ions as integral parts of hydrogen bonded networks in aqueous salt solutions: the appearance of solvent separated anion pairs:, Phys. Chem. Chem. Phys., 22, 11038-11044., 2020
Pethes, I; Pusztai, L; Ohara, K; Kohara, S; Darpentigny, J; Temleitner, L: Temperature-dependent structure of methanol-water mixtures on cooling: X-ray and neutron diffraction and molecular dynamics simulations, Journal of Molecular Liquids Volume 314, 113664, 2020
Cerar, J; Jamnik, A; Pethes, I; Temleitner, L; Pusztai, L; Tomšič, M: Structural, rheological and dynamic aspects of hydrogen-bonding molecular liquids: Aqueous solutions of hydrotropic tert-butyl alcohol, J. Coll. Interf. Sci., 560, pp. 730-742, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.10.094., 2020
Pethes, I; Bakó, I; Pusztai, L: Chloride ions as integral parts of hydrogen bonded networks in aqueous salt solutions: the appearance of solvent separated anion pairs:, Phys. Chem. Chem. Phys., 22, 11038-11044., 2020
Pethes, I; Pusztai, L; Ohara, K; Kohara, S; Darpentigny, J; Temleitner, L: Temperature-dependent structure of methanol-water mixtures on cooling: X-ray and neutron diffraction and molecular dynamics simulations, Journal of Molecular Liquids Volume 314, 113664, 2020
Pothoczki, Sz; Pethes, I; Pusztai, L; Temleitner, L; Csókás, D; Kohara, S; Ohara, K; Bakó, I: Hydrogen bonding and percolation in propan-2-ol – Water liquid mixtures: X-ray diffraction experiments and computer simulations, J. Mol. Liq. 329 Paper:115592, 10 p., 2021
Pethes, I; Pusztai, L; Ohara, K; Temleitner, L: Temperature-dependent structure of 1-propanol/water mixtures: X-ray diffraction experiments and computer simulations at low and high alcohol contents, J. Mol. Liq., 40, 117188, 2021
Bakó, I; Csókás, D; Mayer, I; Pothoczki, S; Pusztai, L: The influence of cations on the dipole moments of neighboring polar molecules, Int J. Quant. Chem., e26758, 2021
Pothoczki, S; Pethes, I; Pusztai, L; Temleitner, L; Ohara, K; Bakó, I: Properties of Hydrogen-Bonded Networks in Ethanol–Water Liquid Mixtures as a Function of Temperature: Diffraction Experiments and Computer Simulations, The Journal of Physical Chemistry B; Article ASAP, 2021
Bakó, I.; Madarász, Á.; Pusztai, L: Nuclear quantum effects: Their relevance in neutron diffraction studies of liquid water, J. Mol. Liq. 325 Paper: 115192 , 8 p, 2021
Karel Saksl, Ildiko Pethes, Pal Jovari, Zuzana Molcanova, Juraj Durisin, Beata Ballokova, Laszlo Temleitner, Stefan Michalik e, Michaela Sulikova, Katarína Sulova, Milos Fejercak, Dagmara Varcholova, Rastislav Motýl: Atomic structure of the Mg66Zn30Ca4 metallic glass, J. Non-Cryst. Sol. 558, 120660 (9 p.), 2021
Hosokawa, S; Kawakita, Y; Pusztai, L; Ikeda, K; Otomo, T: Detailed investigations on short- and intermediate-range structures of Ge-Se glasses near the stiffness transition composition, J. Phys. Soc. Jpn., 90 024601, 12 p., 2021
László Temleitner: A generalized scheme for characterizing orientational correlations in condensed phases of high symmetry molecules: SF6 and C60, J. Molecular Liquids (in opress), 2021
A. Stronski, T. Kavetskyy, L. Revutska, K. Shportko, M. Popovych, I. Kaban, P. Jóvári: Structural order in (As2S3)x(GeS2)1− x glasses, J. Non-Cryst. Solids 572, 121075, 2021
A.V. Stronski, T.S. Kavetskyy, L.O. Revutska, I. Kaban, P. Jóvári, K.V. Shportko, V.P. Sergienko, M.V. Popovych: The boson peak and the first sharp diffraction peak in (As2S3)x(GeS2)1–x glasses, Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, V. 24, No 3. P. 312-318., 2021



Back »