Η κατανόηση των δομικών ιδιοτήτων των μορίων στη φύση και εκείνων που συντίθενται στο εργαστήριο είναι θεμελιώδης για την επιστήμη των υλικών. Καθώς η επιστήμη και η τεχνολογία έχουν αναπτυχθεί εντυπωσιακά, η πρόκληση αυτή έχει επίσης εξελιχθεί, με τους επιστήμονες να στοχεύουν στην εύρεση νέων υλικών με πιο ελκυστικές ιδιότητες. Αναλαμβάνοντας αυτό το έργο μεθοδικά, οι επιστήμονες βασίζονται σε πολύπλοκες μεθόδους προσομοίωσης που ενσωματώνουν τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, οι οποίοι είναι επίσης οι κανόνες που διέπουν τα μόρια.
Η χρήση θεωρητικών μοντέλων προσομοίωσης είναι απίστευτα αποτελεσματική, σε σημείο που ένα ολόκληρο πεδίο μελέτης, γνωστό ως πληροφορική των υλικών, έχει αφιερωθεί σε αυτήν. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις.
Μια τέτοια πρόκληση είναι η δισιλοξάνη (disiloxane), μια χημική ένωση που περιέχει πυρίτιο (Si) και αποτελείται από μια γέφυρα Si-O-Si με τρία άτομα υδρογόνου σε κάθε άκρο. Η δομή της ένωσης είναι σχετικά απλή, αλλά οι επιστήμονες έχουν δυσκολευτεί να υπολογίσουν πόση ενέργεια χρειάζεται για να καμφθεί η γέφυρα Si-O-Si. Μέχρι στιγμής, τα πειραματικά αποτελέσματα δεν είναι ιδιαίτερα αξιόπιστα και οι θεωρητικοί υπολογισμοί εξάγουν διαφορετικές τιμές, λόγω της μεγάλης ευαισθησίας των υπολογιζόμενων ιδιοτήτων σε σχέση με τις εξεταζόμενες παραμέτρους αλλά των παραδοχών.
Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Δρ. Kenta Hongo, Αναπληρωτή Καθηγητή στο Japan Advanced Institute of Science and Technology, εργάζεται πάνω σε μια προηγμένη μέθοδο προσομοίωσης γνωστή ως «κβαντική μέθοδο βασικών αρχών Monte Carlo», η οποία τελικά ξεπέρασε τα εμπόδια που άλλες μέθοδοι δεν μπορούσαν. Τα ευρήματα της ομάδας έχουν δημοσιευτεί στο επιστημονικό περιοδικό Physical Chemistry Chemical Physics.
Δειτε ακομη
Ωστόσο, οι ερευνητές τόνισαν ότι αυτή η επιτυχία δε σημαίνει απλώς την ανάπτυξη καλύτερων προσομοιώσεων: «Το να λάβουμε μια απάντηση που δε συμφωνεί με μια πειραματικά γνωστή τιμή δεν αποτελεί, από μόνη της, έκπληξη. Η συμφωνία μπορεί να βελτιωθεί με προσεκτικότερες και ακριβέστερες προσομοιώσεις. Αλλά με τη δισιλοξάνη, η συμφωνία με τις πειραματικές τιμές γίνεται χειρότερη με πιο προσεκτικές προσομοιώσεις», εξήγησε ο Δρ. Hongo. «Αυτό που έχει επιτύχει η μέθοδός μας, είναι περισσότερο καλά αποτελέσματα χωρίς μεγάλη εξάρτηση από τις παραμέτρους προσαρμογής, έτσι ώστε να μην χρειάζεται να ανησυχούμε για το εάν οι προσαρμοσμένες τιμές είναι επαρκείς».
Οι επιστήμονες συνέκριναν την κβαντική μέθοδο Monte Carlo με άλλες τυπικές μεθόδους, συμπεριλαμβανομένων των υπολογισμών με Density-functional theory (DFT) και του εμπειρικού μοντέλου (CCSD(T)), παράλληλα με εμπειρικές μετρήσεις από παλαιότερες μελέτες. Αν και αυτή είναι μια συναρπαστική εξέλιξη, ο Καθηγητής Κ. Hongo τόνισε τις ευρύτερες θετικές συνέπειες της ανακάλυψης της ομάδας του: «Οι μοριακές προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται ευρέως για το σχεδιασμό νέων φαρμάκων και καταλυτών. Η απαλλαγή από τις θεμελιώδεις δυσκολίες στη χρήση τους, συμβάλλει σημαντικά στο σχεδιασμό τέτοιων υλικών. Με τους ισχυρούς υπερυπολογιστές μας, η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη μας θα μπορούσε να είναι μια τυπική στρατηγική για την υπέρβαση δυσκολιών».
Με πληροφορίες από innovationnewsnetwork.com
