De oplosbaarheid van een bepaalde stof - de maatstaf voor hoe goed de stof oplost in een andere stof die het oplosmiddel wordt genoemd - hangt af van basiseigenschappen zoals temperatuur en druk, evenals de chemische identiteiten van de opgeloste stof (de opgeloste stof) en het oplosmiddel.

Het voorspellen van de oplosbaarheid is belangrijk voor een verscheidenheid aan toepassingen. Op farmaceutisch gebied, bijvoorbeeld, het is cruciaal om de oplosbaarheid van een medicijn te kennen, omdat het direct de beschikbaarheid voor het lichaam bepaalt. De aardolie-industrie geeft een ander voorbeeld:stoffen met een lage oplosbaarheid kunnen afzettingen of ongewenste afzettingen vormen in leidingen of op boren, verstoppingen en andere grote problemen veroorzaken.

Ondanks het belang van het voorspellen van de oplosbaarheid, het is geen gemakkelijke zaak. een benadering, met behulp van "brute force"-simulaties, vereist lange rekentijden. andere technieken, terwijl sneller, kunnen geen nauwkeurige oplosbaarheidswaarden voorspellen. Deze week in The Journal of Chemical Physics , onderzoekers rapporteren een nieuw type software dat gemakkelijke schattingen van de oplosbaarheid mogelijk maakt van vrijwel elke moleculaire stof over brede temperatuur- en drukbereiken. De code maakt gebruik van direct beschikbare open-source software en zal naar verwachting op grote schaal worden toegepast.

Daan Frenkel van de Universiteit van Cambridge in het VK werkte samen met collega's Lunna Li, ook in Cambridge, en Tim Totton, van British Petroleum, om de code te ontwikkelen.

"We hebben er bewust voor gekozen om goed gedocumenteerde, vrij beschikbare software omdat we onze aanpak voor iedereen beschikbaar wilden maken, "zei Frenkel. "Een hulpmiddel voor algemene doeleinden om oplosbaarheden te berekenen, ontbrak al lange tijd. De onderliggende methodiek was er, maar niemand had echt een werkend programma gemaakt."

De door deze groep ontwikkelde software maakt gebruik van standaard thermodynamische uitdrukkingen die al sinds het midden van de 19e eeuw bekend zijn, zoals dampdruk. De benadering maakt gebruik van het feit dat wanneer een vaste of vloeibare fase in evenwicht is, hun dampdrukken zijn gelijk. Wanneer een vloeistof of vaste stof wordt verwarmd, moleculen ontsnappen en vormen damp. Deze dampdruk kan worden berekend met behulp van computermodellen.

Bijvoorbeeld, een klomp suiker die oplost in water:Suikermoleculen bestaan ​​ofwel in een vaste toestand - de kristallijne suikerklont - of worden volledig omringd door watermoleculen zodra ze zijn opgelost. De hoeveelheid suiker in elk van de twee fasen, solide en oplossing, wordt bepaald door de energie die nodig is om suikermoleculen tussen die fasen te verplaatsen. De oplosbaarheid kan worden berekend door de dampdruk van de twee fasen te berekenen en ze gelijk te stellen.

Om de vaste fase te modelleren, de onderzoekers gebruikten een model dat een Einstein-kristal wordt genoemd. Bij dit model is niet-interagerende opgeloste moleculen worden op een rooster geplaatst en met een wiskundige veer aan een roosterpunt vastgemaakt. De dampdruk van het kristal wordt berekend door de arbeid te berekenen die nodig is om de veren uit te schakelen en interacties tussen de gebonden moleculen in te schakelen.

Om een ​​opgelost molecuul te modelleren, de onderzoekers gebruikten een standaard energiepotentieel voor het betreffende oplosmiddel, wat water was in de voorbeelden die werden gebruikt om hun software te testen, en berekende het werk in drie stappen. Eerst, er ontstaat een holte in het oplosmiddel. Een opgelost molecuul wordt vervolgens in de holte ingebracht en, Tenslotte, de holte wordt verkleind tot de grootte van het opgeloste molecuul. Deze procedure elimineert een aantal fouten en produceert nauwkeurige schattingen van de dampdruk en, dus, de oplosbaarheid.

In het verslag van deze week de onderzoekers testten hun code op in water opgeloste naftaleen en voorspelden een oplosbaarheid die goed overeenkomt met experimentele waarden. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het uitbreiden van de software zodat deze grotere opgeloste moleculen aankan.