Μελέτη μοριακών συστημάτων μέσω στατιστικής μηχανικής θεωρίας και μεθόδων προσομοιώσεων
Authors: Χατζής Γεώργιος 
Published: January 2014

Είναι γνωστό ότι τα υπερκρίσιμα ρευστά δείχνουν αυξημένη ευαισθησία στην πίεση και την θερμοκρασία. Το γεγονός αυτό τα καθιστά ελκυστικά ως διαλύτες για ποικιλία χημικών, αναλυτικών μεθόδων, διεργασιών διαχωρισμού υλικών, χρωματογραφίας καθώς επίσης και σύνθεσης. Γενικά, τα υπερκρίσιμα ρευστά έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν τοξικούς διαλύτες και ως εκ τούτου συσσωρεύουν επιστημονικό ενδιαφέρον για τη μελέτη τους. Στις διεργασίες της υπερκρίσιμης περιοχής εξέχουσα θέση κατέχει το διοξείδιο του άνθρακα λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει. Συγκεκριμένα το διοξείδιο του άνθρακα είναι υλικό χαμηλού κόστους, ευρισκόμενο εύκολα, φιλικό προς το περιβάλλον και κατάλληλο για εφαρμογές στις προαναφερθείσες τεχνικές. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα για την χρήση του σαν διαλύτη-φορέα υπερκρίσιμων διεργασιών είναι το γεγονός ότι το κρίσιμο σημείο του είναι λίγο μεγαλύτερο από τους 304Κ γεγονός που συνηγορεί στη μη διάσπαση ευαίσθητων στη θερμοκρασία ουσιών. Το πρόβλημα όμως που παρουσιάζει είναι η ελάττωση της διαλυτότητας με την αύξηση της πολικότητας των εν διαλύσει ουσιών, καθώς και τα προβλήματα που προκύπτουν λόγω αυτής. Με άλλα λόγια, προκειμένου για ένα μη πολικό διαλύτη όπως το CO2 η διαλυτότητα μια πολικής ουσίας είναι αντιστρόφως ανάλογη με την πολικότητά της, ή καλύτερα με το μέτρο της πολικότητας, που είναι η διπολική ροπή. Για παράδειγμα σε μεθόδους διαχωρισμού απαιτείται πολλαπλάσια ποσότητα διαλύτη - φορέα, προκειμένου για μόρια τα οποία είναι ισχυρώς πολικά. Όμως έχει βρεθεί ότι η προσθήκη μικρής ποσότητας πολικού συνδιαλύτη [10] σε ποσοστό περίπου 10% όπως το H2O ή κάποια απλή αλκοόλη (MeOH, EtOH και 2-προπανόλη) αυξάνει σημαντικά την διάλυση των πολικών ουσιών. Έχοντας υπ’ όψιν τα παραπάνω, και μετά από εκτενή έρευνα στην διεθνή βιβλιογραφία, διαπιστώσαμε την επιτακτική ανάγκη της θεωρητικής και πειραματικής μελέτης των υπερκρισίμων συστημάτων - μιγμάτων του CO2, με κοινούς πολικούς διαλύτες όπως το νερό, η μεθανόλη και η αιθανόλη. Συνοπτικά αναφέρουμε ότι οι δημοσιευμένες μέχρι σήμερα εργασίες αναφορικά με τα εν λόγω μοριακά συστήματα είναι αρκετά περιορισμένες τόσο από άποψη αριθμού, όσο και από την οπτική προσέγγιση του αντικειμένου. Θα λέγαμε ότι οι μέχρι τώρα εργασίες προσεγγίζουν την πειραματική θερμοδυναμική πτυχή των συστημάτων προσπαθώντας μάλιστα να τη διερευνήσουν στη βάση της ‘καταστατικής διερεύνησης’ (P,V,T,x), και μάλιστα σε καταστάσεις που το γραμμομοριακό κλάσμα x του ενός ή του άλλου συστατικού τείνει στο μηδέν (καταστάσεις απείρου αραίωσης). Η διατριβή αυτή έχει βασιστεί στις αρχές και τη θεωρία της ‘Στατιστικής Μηχανικής’ και τις σχετιζόμενες με αυτήν εφαρμογές και τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί, καθ’ όσον αποδεδειγμένα αποτελεί το κατάλληλο εκείνο μέσο που διαθέτουν οι φυσικές επιστήμες, για τη διερεύνηση συστημάτων μεγάλου αριθμού σωματιδίων, όπως απαρτίζονται για παράδειγμα τα ρευστά. Συγκεκριμένα για την μελέτη των εν λόγω μοριακών συστημάτων υιοθετήθηκε η υπολογιστική τεχνική των Προσομοιώσεων ‘Μοριακής Δυναμικής’, μέσω της οποίας παρήχθη ο χώρος των μικροκαταστάσεων, των μοριακών συστημάτων που μας ενδιαφέρει, και στη συνέχεια η εξαγωγή αποτελεσμάτων ιδιοτήτων του συστήματος. Σε κάθε περίπτωση, η τακτική που ακολουθήθηκε ήταν η αξιολόγηση των υπαρχόντων προτύπων δυναμικού μοριακής αλληλεπίδρασης με βάση τα υπάρχοντα πειραματικά δεδομένα, σε περιοχές του χώρου των φάσεων μακριά από το κρίσιμο σημείο και ακολούθως η εξέταση της ορθότητάς τους και σε περιοχές πλησίον του κρισίμου σημείου. Δυστυχώς, αυτό κατέστη εφικτό μόνο στο σύστημα Η2Ο-CO2, ενώ στο σύστημα Η2Ο-CH3OH ο έλεγχος της ορθότητας των δυναμικών πραγματοποιήθηκε στις πλησίον του κρισίμου σημείου καταστάσεις, λόγω περιορισμένης βιβλιογραφίας. ................