Az eredmény: a víz hatása

A CRAY C90 segítségével Voth és munkatársai egy vasion platinaelektróddal való kölcsönhatását szimulálták 300 kelvines vízben. Ahhoz, hogy a szimuláció valóságszerû legyen, azaz az ion körül elegendô víz legyen, a szimulációban 671 vízmolekula is szerepelt. A munka elsô részében az atomok közötti kölcsönhatás leírásához a newtoni egyenleteket használták. Az eredménybôl kitûnt, hogy van egy kb. 10 kcal/mólos energiagát, amelyen az ionnak át kell jutnia, ha ferroionból ferrivé akar válni.

"Évek óta folyik a vita, hogy van-e valami hatása az oldószernek az elektrokémiai elektrontranszferre. Sikerült kimutatnunk, hogy ezek közt a körülmények közt igenis van. Ezt az információt kísérleti úton megszerezni szinte lehetetlen lett volna", mondja Voth.

A következô lépésben a víz leírásához kvantummechanikát használtak. Voth és a kollégái Feynman nyomintegrálos módszerét használták. Ezt a kvantummechanikai módszert Voth tette alkalmassá az ET folyamatok sebességének meghatározásához. "A vízben igen nagy kvantumeffektusok vannak, és mi kíváncsiak voltunk rá, hogy ezeknek milyen lesz a hatásuk", mondja Voth.

400 órányi CRAY C90-en végzett munka és további 8 hónapnyi, öt különbözô munkaállomáson végzett kutatás után Voth szerint sikerült befejezniük az eddigi legnagyobb, folyadékokra vonatkoztatott, Feynman-féle nyomintegrálos számítást. "Azt a megdöbbentô eredményt kaptuk, hogy a kvantumeffektusok hatása igen jelentôs a reakció szabadenergiájára. Mint ahogy láthatják, a gát egyre kisebb lesz, amint a szabadenergia-görbén balról jobbra haladunk, azaz a reakció egyre gyorsabb lesz. Sôt így még egy hajtóerô is fellép. Ahogy balról jobbra haladunk, lefelé megyünk a lejtôn, azaz ebben az irányban a reakció spontán zajlik le. A klasszikus modellben nem volt kitüntetett irány, a reakció mindkét irányban egyenlô mértékben ment végbe."

Az elektrontranszfer szabadenergiája víz–fém határfelületen. A görbén lévô két völgy a Fe2+- (bal) és a Fe3+- (jobb) ionnak felel meg. A két völgy közti púp a két állapot közti energiagátat jelzi, nagysága kb. 10 kcal/mól.

Voth és kollegái jelenleg egy olyan matematikai elméleten dolgoznak, amely képes leírni ezt a kvantumhatást. "Ez a számítógépes szimuláció szépsége. A szimulációnk szép példa arra, hogy az ilyen módszerek a kísérleti és elméleti munka mellett lehetôvé tesznek egy harmadik megközelítési módot is. Szimulációkkal találhatunk olyan effektusokat is, amelyekre nem számítottunk. És most a megfelelô elméleten dolgozunk, ami az ilyen hatásokat megmagyarázhatja."


Vissza