I ricercatori della Queen Mary University di Londra hanno sviluppato un nuovo approccio computazionale per comprendere meglio il congelamento in diversi tipi di liquidi.

Il processo di congelamento, dove un liquido si trasforma in solido, non è così semplice come potrebbe sembrare. Molte sostanze, compresa acqua e cera, hanno diversi stati solidi a causa delle differenze nella disposizione dei loro atomi e molecole. Però, eseguire esperimenti per visualizzare le disposizioni molecolari esatte e il modo in cui si trasformano tra gli stati può essere difficile.

Negli ultimi decenni i modelli computazionali sono stati sempre più utilizzati per integrare gli studi sperimentali, portando nuove intuizioni molecolari sulle proprietà degli stati gassosi e liquidi, nonché sulle transizioni tra di essi (ad es. evaporazione).

Per quanto le fasi più dense siano ancora una sfida, e la complessità del congelamento dei liquidi in solidi è sfuggita alla maggior parte dei metodi, soprattutto dove c'è più di una possibile disposizione solida.

Nello studio, pubblicato in Journal of Physical Chemistry B , gli scienziati hanno sviluppato nuovi approcci computazionali per studiare la cera, che è noto per avere più disposizioni congelate. Usando il loro metodo sono stati in grado di prevedere il suo punto di fusione entro 2°C dal valore sperimentale.

Confronto delle prestazioni

Quando hanno confrontato le prestazioni di questi metodi con la maggior parte delle tecniche computazionali esistenti, hanno mostrato che il loro approccio di modellazione fornisce una visione più realistica di ciò che accade quando i liquidi si congelano e potrebbero persino prevedere alcune delle strutture cristalline più "esotiche" formate durante questo processo.

Dottor Stephen Burrows, Assistente di ricerca post-dottorato presso Queen Mary, disse:"Gli alcani solidi sono insoliti perché le molecole hanno una sorprendente quantità di libertà. Se parti da un cristallo perfetto e aumenti la temperatura, le molecole acquisiscono improvvisamente la capacità di ruotare, con un movimento simile a quello di un dormiente irrequieto che si gira e si rigira nel letto."

"Abbiamo testato i metodi più utilizzati per simulare queste fasi 'rotatrici', scoprendo che il modello Williams degli anni '60 era in anticipo sui tempi. Inizialmente impraticabile a causa della mancanza di potenza di calcolo, potrebbe ora subire una rinascita per la moderna simulazione della dinamica molecolare. Con il nostro nuovo modello ottimizzato, ci proponiamo di studiare la fase rotatoria dell'esadecano, si trova nell'olio, che è difficile da osservare sperimentalmente a causa della sua natura instabile."

Applicazioni del mondo reale

come cere, oli come il gasolio possono anche congelare in molte fasi e presentare diverse proprietà solide. Perciò, metodi per prevedere le complessità molecolari e atomiche delle transizioni liquide a diversi tipi di oli "solidi" potrebbero avere diverse potenziali applicazioni nel mondo reale, dall'aiutare a prevedere meglio il congelamento degli oleodotti (e prevenire le fuoriuscite di petrolio), allo sviluppo di un migliore isolamento e accumulo di energia intelligenti.

Comprendere le transizioni solide nella cera potrebbe anche portare a più leggeri, polimeri più resistenti dell'acciaio, e aiutare i ricercatori a migliorare la comprensione dei processi appena scoperti come la morfogenesi artificiale. Questi potrebbero consentire processi di produzione più ecologici in modo da poter "far crescere" la materia come si vede in natura, riduzione dei prodotti secondari o di scarto.

Dottor Stoyan Smoukov, Lettore in Ingegneria Chimica alla Queen Mary, ha dichiarato:"Essere in grado di prevedere il comportamento di trasformazione degli oli ci aiuterebbe nella nostra ricerca di sviluppare processi di produzione sostenibili per il futuro. La solita microfabbricazione litografica è come la scultura, taglio/scalpello da una lastra di marmo, generando molti rifiuti. Nella nostra attuale sovvenzione stiamo utilizzando nuovi processi per auto-modellare le goccioline e utilizzare quasi il 100% del materiale di partenza per far crescere letteralmente particelle sagomate".

"Il processo è altamente scalabile poiché ogni goccia si modella da sola a causa delle transizioni di fase interne. La produzione efficiente di tali particelle potrebbe rivoluzionare le industrie dalla stampa a getto d'inchiostro alla consegna dei farmaci. E gli strumenti di modellazione che abbiamo sviluppato ci aiuteranno a mettere a punto questo controllo su scala molecolare ."