Kajetan Koperwas - Doktoris

Kajetan Koperwas
Uniwersytet Śląski
[email protected]
Skalowanie własności dynamicznych i termodynamicznych przechłodzonych cieczy
jonowych w układach nieograniczonych i ograniczonych przestrzennie
Odpowiednia zmiana temperatury cieczy może prowadzić do uniknięcia krystalizacji
i otrzymania płynu, który charakteryzuje się właściwościami zbliżonymi do typowej cieczy,
jednak występuje w temperaturze dla niej nieosiągalnej. Substancjami, które w powszechnie
występujących temperaturach (poniżej 100°C) istnieją w postaci przechłodzonej są ciecze
jonowe. Umiejętny dobór składników cieczy jonowych pozwala sterować ich właściwościami
fizycznymi i chemicznymi. Ponadto ich jonowa budowa sprawia, że dobrze przewodzą prąd
elektryczny i mogą być stosowane w bateriach elektrycznych jako nowoczesne, odnawialne
i ekologiczne źródło energii. W obecnie produkowanych bateriach są wykorzystywane
ogniwa produkowane na bazie wody. Wadą tego rozwiązania jest fakt, że woda,
w przeciwieństwie do cieczy jonowych, może parować oraz jest mało stabilna
elektrochemicznie, co wpływa na trwałość aktualnie wykorzystywanych baterii.
Głównym zagadnieniem fizyki przechłodzonych cieczy jonowych, które wymaga wnikliwego
zbadania jest wpływ termodynamiki na właściwości kinetyczne takie jak czas relaksacji
strukturalnej i lepkość. Okazuje się, że dowolną wielkość kinetyczną x (np. czas relaksacji
strukturalnej czy lepkości) można wykreślić na jednej krzywej zależnej tylko i wyłącznie od
parametrów termodynamicznych log10 ( x)  J () , gdzie   T 1  (υ jest objętością
właściwą), natomiast występujący w równaniu parametr γ jest stałą materiałową. Idea ta nosi
nazwę termodynamicznego skalowania, a jej słuszność dla substancji należących do różnych
grup materiałowych jest aktualnie szeroko dyskutowana1,2,3. Ponadto wykazano powiązanie
stałej materiałowej γ z potencjałem między-molekularnym cząsteczek substancji4,5. Zależność
1
Tölle, A. Neutron, Scattering studies of the model glass former ortho-Terphenyl. Rep. Prog. Phys. 2001, 64,
1473.
2
R. Casalini, C. Roland, Termodynamical scaling of the glass transition dynamic, Phys. Rev. E, 2004, 69,
062501.
3
A. Grzybowski, K. Grzybowska, M. Paluch, A. Swiety, K. Koperwas, Density scaling in viscous systems near
the glass transition, Phys. Rev. E, 2011, 83, 041505.
4
Ulf R. Pedersen, Nicholas P. Bailey, Thomas B. Schrøder, and Jeppe C. Dyre, Strong Pressure-Energy
Correlations in van der Waals Liquids, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 015701.
5
Thomas B. Schrøder, Ulf R. Pedersen, Nicholas P. Bailey, Søren Toxvaerd, and Jeppe C. Dyre, Hidden scale
invariance in molecular van der Waals liquids: A simulation study, Phys. Rev. E, 2009, 80, 041502.
właściwości kinetycznych, termodynamicznych i potencjału opisującego oddziaływania
pomiędzy molekułami substancji można dokładnie zbadać dzięki symulacjom komputerowym
dynamiki molekularnej. Główną zaletą tej metody badania fizyki substancji jest możliwość
dokładnego określenia sposobu odziaływania cząsteczek cieczy przechłodzonej.
Prace prowadzone w ramach stypendium mają na celu przeprowadzenie symulacji typowych
cieczy przechłodzonych z różnym potencjałem molekularnym. Należy pamiętać, że ciecze
jonowe to substancje, których skład ma duży wpływ na właściwości fizyczne. Oczekuje się,
że wyniki dostarczone dzięki powyższym analizom ułatwią odpowiedni dobór komponentów
cieczy jonowych tak, aby najefektywniej mogły być one stosowane w przemyśle
energetycznym.