Water-ethanol mixtures by molecular dynamics and x-ray Compton scattering

Vesi-etanoliseoksia käytetään hyvin yleisesti sekä teollisuudessa että kotitalouksissa. Siksi on ehkä hieman yllättävää, että niiden mikroskooppinen, molekyylitason rakenne ei ole vieläkään täydellisesti tunnettu. Tutkimuksissa on erityisesti tullut ilmi, että paikalliset molekyylitason rakenteet riippuisivat seossuhteesta. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on pyrkiä saamaan lisätietoa vesi-etanoliseosten molekyylitason rakenteesta käyttäen kahta eri laskennallista menetelmää. Valitut menetelmät ovat klassinen molekyylidynamiikka (MD), jonka avulla voidaan tutkia molekyylien liikettä, sekä Compton-sironta, jossa sironnan vaikutusala riippuu elektronien liikemäärätiheydestä. Tehdyissä MD-simulaatioissa alkoholipitoisuudet olivat välillä 0-100%. Vesimolekyylille ja etanolimolekyylille käytettiin niille yleisesti hyväksi osoittautuneita vuorovaikutusmalleja (TIP4P ja OPLS-AA). Lisäksi simulaatioissa käytettiin etanolin sidoksille kahta eri mallia, jäykkää ja joustavaa. Jäykässä mallissa molekyylien sisäiset sidospituudet ovat rajoitettuja, kun taas joustavassa mallissa sidospituudet määritetään harmonisella potentiaalilla. Kokeellisesti saatava suure, Compton-profiili, laskettiin kolmelle eri konsentraatiolle käyttäen sekä jäykkää että joustavaa etanolia. Simulaatiot tuottivat hieman aliarvioidun tiheyden verrattuna kokeellisiin tuloksiin. Lisäksi sekä vesi- että etanolimolekyylien solmimien vetysidosten määrä poikkesi ideaalitapauksesta siten, että sidoksia muodostui enemmän veden kuin etanolin kanssa. Tutkimuksessa huomattiin myös, että seoksella oli järjestyneempi rakenne, kun etanolipitoisuus oli suurempi. Ero etanolimallien välillä oli merkityksetön MD-simulaatioissa. Compton-sirontalaskut sen sijaan tuottivat selkeän eron eri etanolimallien välille. Jäykälle etanolille Compton-erotusprofiilit olivat kaikille etanolipitoisuuksille samat, mutta joustavalle etanolille ne erosivat toisistaan. Tämän perusteella sekoittumisprosessille on kaksi vaihtoehtoa. Vesi-etanoliseokset sekoittuvat samalla tavalla kaikilla konsentraatioilla (jäykän mallin tapaus) tai sekoittuminen muuttuu eri konsentraatioilla (joustavan mallin tapaus). Tämä tutkimus osoittaakin, että vuorovaikutusmallin valinnalla on merkittävä vaikutus MD-simulaatioista saatavan mikroskooppisen rakenteen muodostumiseen. Kun Compton-profiilien laskennan tarkkuuteen vaikuttavia lähteitä arvioitiin, huomattiin, että laskuissa käytettävien MD-simulaatioista saatavien paikallisten rakenteiden otosmäärää on lisättävä, jotta tilastollinen virhe lopputuloksissa pienenisi. Tässä tutkimuksessa esitettyjä Compton-sirontatuloksia voidaankin pitää jossain määrin alustavina, mutta kuitenkin selkeästi suuntaa-antavina tuloksina vesi-etanoliseosten käyttäytymisestä, kun vuorovaikutusmallia muutetaan. Tulevaisuudessa tutkimusta voidaan jatkaa lisäämällä näytteiden määrää ja vertaamalla tuloksia kokeellisiin mittauksiin, jolloin voidaan päättää, kumpi etanolimalleista kuvaa seosta paremmin. Siten on mahdollista saada merkittävää tietoa vesi-etanoliseosten mikroskooppisen tason rakenteesta. Sen lisäksi tietoa saadaan MD-simulaatioiden vuorovaikutusmallien valinnasta ja siitä, onko MD-simulaatiolla mahdollista luoda oikeita mikroskooppisia rakenteita kaksikomponenttinesteille.