Om de fundamentele eigenschappen van een industrieel oplosmiddel te begrijpen, scheikundigen van de Universiteit van Cincinnati gingen over op een supercomputer.

UC chemieprofessor en afdelingshoofd Thomas Beck en UC afgestudeerde student Andrew Eisenhart voerden kwantumsimulaties uit om glycerolcarbonaat te begrijpen, een verbinding die wordt gebruikt in biodiesel en als algemeen oplosmiddel.

Ze ontdekten dat de simulatie details opleverde over waterstofbruggen bij het bepalen van de structurele en dynamische eigenschappen van de vloeistof die ontbraken in klassieke modellen. De studie werd gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry B .

Glycerolcarbonaat zou een milieuvriendelijker chemisch oplosmiddel kunnen zijn voor zaken als batterijen. Maar chemici moeten meer weten over wat er in deze oplossingen gebeurt. Ze bestudeerden de verbindingen kaliumfluoride en kaliumchloride.

"De studie die we hebben gedaan, geeft ons een fundamenteel begrip van hoe kleine veranderingen in een moleculaire structuur grotere gevolgen kunnen hebben voor het oplosmiddel als geheel, "Zei Eisenhart. "En hoe deze kleine veranderingen de interactie aangaan met zeer belangrijke dingen zoals ionen en een effect kunnen hebben op zaken als batterijprestaties."

Water is een schijnbaar eenvoudig oplosmiddel, zoals iedereen die suiker in zijn koffie heeft geroerd kan bevestigen.

"Mensen hebben honderden jaren water bestudeerd - Galileo bestudeerde de oorsprong van drijfvermogen in water. Zelfs met al dat onderzoek, we hebben geen volledig begrip van de interacties in water, Beck zei. "Het is verbazingwekkend omdat het een eenvoudig molecuul is, maar het gedrag is complex."

Voor de kwantumsimulatie, de chemici wendden zich tot UC's Advanced Research Computing Center en het Ohio Supercomputer Center. Kwantumsimulaties bieden een hulpmiddel om scheikundigen te helpen interacties op atomaire schaal beter te begrijpen.

"Kwantumsimulaties bestaan ​​al een tijdje, "Zei Eisenhart. "Maar de hardware die de laatste tijd evolueert - dingen als grafische verwerkingseenheden en hun versnelling wanneer toegepast op deze problemen - creëert de mogelijkheid om grotere systemen te bestuderen dan we in het verleden konden."

"Hoe lossen ionen op in deze vloeistof in vergelijking met water? Eerst moesten we begrijpen wat de basisstructuur van de vloeistof was, ' zei Bek.

Het onderzoek werd gefinancierd door een subsidie ​​van de National Science Foundation.

Elke lithium-ionbatterij bevat een oplosmiddel. Het vinden van een betere zou de energieopslag en -efficiëntie kunnen verbeteren.

"De wereld beweegt zich in de richting van duurzaamheid. Het is vrij duidelijk dat wind en zonne-energie twee belangrijke bijdragen zullen leveren, samen met andere groene energie, " Beck zei. "Maar de opgewekte energie is intermitterend. Je hebt dus methoden nodig voor grootschalige energieopslag, zodat als het twee dagen bewolkt is, een stad kan blijven draaien."