Elsőként figyeltek meg hattagú molekulagyűrűket metanol-víz elegyek hűtése során az MTA kutatói

Az alkoholos oldatok mikroszkopikus szerkezetének hőmérsékletfüggését eddig mindössze egyetlen röntgendiffrakciós méréssorozat írta le. A metanol-víz elegyek atomi szintű szerkezetét az MTA Természettudományi Kutatóközpont és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont közös kutatása keretében elemezték.

2017. április 25.

Molekuláris dinamikai számítógépes szimulációk segítségével vizsgálták a kutatásban és az iparban egyaránt kiemelkedő jelentőséggel bíró alkoholos oldatok, a metanol-víz elegyek atomi szintű szerkezetét az MTA Természettudományi Kutatóközpont és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói. Bakó Imre, Pusztai László és A tanulmány címe:
Decreasing temperature enhances the formation of sixfold hydrogen bonded rings in water-rich water-methanol mixtures
Temleitner László erről szóló tanulmánya a Nature lapcsaládhoz tartozó open access tudományos folyóiratban, a Scientific Reportsban jelent meg.

Bár a metanol-víz elegyek tulajdonságait könyvtárnyi irodalom taglalja, érdekes módon a mikroszkopikus szerkezet hőmérsékletfüggését ez idáig csak igen korlátozottan tanulmányozták. E tárgykörben a szakirodalomban mindössze egyetlen röntgendiffrakciós méréssorozat található, amely 20, 30 és 40 mólszázalékos metanololdatokon készült.

metanol-víz elegy, molekulagyűrű Hattagú, gyűrű alakú aggregátum Illusztráció: Bakó et al.
metanol-víz elegy, molekulagyűrű Kettős gyűrű alakú aggregátum Illusztráció: Bakó et al.

A Budapesten végzett kutatás során a szerzők egyszerű kölcsönhatási modelleket alkalmazva végeztek molekuláris dinamikai számítógépes szimulációkat az elegyeken, 25 és –60 Celsius-fok között. Úgy találták, hogy míg a hidrogénkötések száma legfeljebb 10%-kal növekedett a legalacsonyabb hőmérsékletre való lehűtés eredményeképpen, a molekulák közötti hidrogénkötésekkel összekötött, gyűrű alakú aggregátumok száma akár meg is kétszereződött. Különösen a hattagú gyűrűk arányának megugrása szembetűnő; e gyűrűs „klaszterek”-ben főleg vízmolekulák találhatók. A metanol-víz elegyek hűtése során bekövetkező gyűrűképződést elsőként e kutatás során figyelték meg.

A gyűrűképződésre – bár első pillantásra meghökkentő jelenség – viszonylag egyszerű kvalitatív magyarázat adható. Egyrészt a láncszerű klaszterek gyűrűvé záródása egy magától értetődő módja a hűtést kísérő entrópiacsökkenésnek, másrészt a vízmolekulák hattagú gyűrűkbe való rendeződése az elegyek megfagyásának korai jele.

További információ

Pusztai László
MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont
Telefon/fax: +36 1 392 2589
e-mail: pusztai.laszlo@wigner.mta.hu