• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

molekyldynamik

Oprindelig forfatter GDuB Seneste forfatter Redaktionen

molekyldynamik, kemisk disciplin, der teoretisk og eksperimentelt beskæftiger sig med at følge atomare bevægelser i molekyler. Disse foregår på en tidsskala af størrelsesordenen 10-14 s, dvs. en hundrededel pikosekund.

De enkelte atomers bevægelse i et molekyle eller molekylernes bevægelse i forhold til hinanden kan teoretisk følges i tid ved at løse de fundamentale bevægelsesligninger, dvs. enten de klassisk mekaniske eller de kvantemekaniske ligninger. Med computere kan specielt de klassiske bevægelsesligninger (Newtons ligninger) løses for et stort antal atomer. Hermed er det muligt at gennemføre simuleringer af væskers, faste stoffers og biologiske systemers dynamik. Disse simuleringer giver information om den tidslige udvikling af systemet; dvs. at de enkelte atomers banekurver som funktion af tiden beregnes.

Da tidsudviklingen er afhængig af atomernes begyndelsesposition og hastighed, som man ikke eksperimentelt har nogen kontrol over, må der gennemføres en statistisk midling over forskellige begyndelsestilstande, et såkaldt ensemble, før man kan sammenligne de beregnede værdier med eksperimentelt målte. Det kan fx dreje sig om bestemmelse af diffusionskonstanter, viskositet, varmeledningsevne samt studier af faseovergange og andre makroskopiske størrelser og fænomener. Molekyldynamiske beregninger gør det altså muligt at relatere de mikroskopiske (dvs. de molekylære) egenskaber såsom atomers og molekylers inter- og intramolekylære vekselvirkninger til de makroskopisk målelige egenskaber.

Annonce

Udviklingen inden for eksperimentelt apparatur, specielt molekylstråle- og laserteknikker, hvor en pulsbredde af laserlyset på femtosekundniveau kan opnås, har gjort det muligt også eksperimentelt at følge molekylers bevægelse på en sub-pikosekund-tidsskala. Denne udvikling muliggør en mere direkte sammenligning på molekylært niveau mellem teori og eksperiment.

Molekylær reaktionsdynamik

Molekylær reaktionsdynamik, MRD, er den del af molekyldynamikken, der beskæftiger sig med molekylers kollisioner og vekselvirkninger, der fører til kemisk reaktion. Ved en kemisk reaktion brydes og dannes bindinger mellem atomerne, således at nye molekyler skabes. MRD beskæftiger sig med studiet af detaljerne ved sådanne kemiske reaktioner, dvs. reaktionens afhængighed af molekylernes struktur og energiindhold og af omgivelsernes indflydelse, herunder påvirkning fra fx opløsningsmiddel, laserlys og elektriske og magnetiske felter.

Både ved teoretiske molekyldynamiske beregninger og eksperimentelle studier, først og fremmest gennemført af J.C. Polanyi, har man fundet, at et molekyles reaktivitet, dvs. dets evne til at reagere med andre molekyler, ikke blot afhænger af molekylets energi, men ofte tillige af, hvordan denne energi er fordelt i molekylet. Molekyler har fire såkaldte frihedsgrader, i hvilke energien kan fordeles. Det drejer sig om translations-, rotations-, vibrations- og den elektroniske frihedsgrad. Translationsfrihedsgraden beskriver bevægelsen af molekylets tyngdepunkt, rotationsfrihedsgraden molekylets rotation omkring tyngdepunktet, vibrationsfrihedsgraden molekylets svingninger i forhold til en ligevægtsstruktur, og endelig bestemmer den elektroniske frihedsgrad, hvilken vekselvirkning der er mellem de enkelte atomer i molekylet (bindingsenergier og struktur af molekylet). Når molekylet modtager energi ved vekselvirkning med omgivelserne, exciteres disse frihedsgrader. Ved almindelig opvarmning vil det fortrinsvis være molekylernes kinetiske energi, der øges, idet det primært er translations-, men også i nogen grad rotationsfrihedsgraderne, der exciteres. For at excitere vibrations- og den elektroniske frihedsgrad kræves normalt betydelig højere temperatur. Men molekylet kan fx ved hjælp af laserlys exciteres selektivt, dvs. exciteres i en bestemt frihedsgrad, fx vibrationsfrihedsgraden. Herved kan molekylets reaktivitet som funktion af denne excitation studeres, fx ved anvendelse af molekylstråleteknik, hvor molekylstrålen ledes ud i vakuum, og molekylerne kolliderer med molekyler i anden krydsende molekylstråle eller med fotoner i en laserstråle. Disse eksperimenter gør det muligt at detektere udfaldet af molekylære enkeltkollisioner og dermed få et meget detaljeret billede af den kemiske reaktion, fra en bestemt kvantetilstand af reaktanterne til en kvantetilstand af reaktionsprodukterne. Den detaljerede indsigt, man opnår ved MRD-studier, muliggør en egentlig kontrol med den kemiske reaktion, således at dannelse af et bestemt reaktionsprodukt favoriseres.

Når kemisk reaktion finder sted, sker det med størst sandsynlighed, hvis molekylerne ved en kollision opnår en ganske bestemt rumlig struktur, hvorved den såkaldte transition state dannes. Transition state kan opfattes som én for reaktionen favorabel geometrisk og energetisk molekylær konstellation. Specielt for større molekyler vil reaktionen være helt afhængig af, om denne konstellation opnås. Transition state-begrebet har haft stor betydning for udviklingen af teorier og modeller inden for MRD.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Gert Due Billing: molekyldynamik i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 24. februar 2020 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=126769



    • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

    • Kommentar til redaktionen Vedr. molekyldynamik Marker den cirkel
      Send kommentar


  • Copyright

    Denne artikel må du ...

  • Kilde

    Denne artikel stammer fra:
    Leksikon

  • Historik