Projekti / Programi
01. januar 1999
- 31. december 2003
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P400 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizikalna kemija |
Raztopine elektrolitov, polielektroliti, voda, hidratacija, Hoffmeistrova vrsta, mikroporozne snovi, adsorpcija, električna dvoplast, statistična termodinamika, struktura, metoda Monte Carlo, Ornstein-Zernikova enačba, ozkokotno rentgensko sipanje
Raziskovalci (6)
Organizacije (1)
Povzetek
Z metodami statistične termodinamike bomo proučevali lastnosti raztopin, za katere so značilne močne privlačne in odbojne sile. Glavne točke programa so :1. Raziskave močno nesimetričnih elektrolitov kot modelov za globularne proteine, micele površinsko aktivnih snovi in koloidne raztopine. Ugotovili smo, da korelacije med dvovalentnimi protiioni lahko povzročijo neenakomerno porazdelitev makroionov (5). V nadaljevanju dela želimo raziskati, kako do tega pojava pride in kakšen je vpliv dodanega elektrolita. Stanje na tem področju ni zadovoljivo, saj klasične teorije ne morejo razložiti vseh eksperimentalnih rezultatov. Menimo, da bomo z nadaljnjim razvojem teorije (2,3) dobili metode za interpretacijo merskih podatkov v sistemih, za katere je značilna visoka asimetrija v velikosti in naboju. Raziskovali bomo tudi mešanice elektrolitov z nevtralno komponento (1,6), saj imajo te raziskave pomen, tako za biološke vede, kot tudi za industrijo. 2. S sodelavci smo prvi priredili integralsko enačbo za opis adsorpcije elektrolita v neurejeni porozni snovi, ki vsebuje naboje (8). Opazili smo pojave, ki jih v raztopinah čistih elektrolitov ne poznamo. Dosedanje raziskave so bile omejene na nenabite sisteme, mi smo prvi rešili nekatere probleme povezane z daljnosežnimi silami v ionskih sistemih. Naš končni cilj so termodinamične količine in fazni diagram za te snovi. Merski rezultati (zaenkrat so proučevali samo nenabite sisteme) kažejo, da adsorbent vpliva na kritične količine - kako se to odraža v nabitih sistemih še ni znano. Problem je v tem, da sistema adsorbent-adsorbat ni moč obravnavati kot navadne raztopine, vse enačbe za raztopine je treba izpeljati na novo. Ena izmed možnosti, ki se ponuja, je uporaba MSA približka, le-ta se dovolj dobro ujema z rezultati simulacij (8). Poleg neurejenih sistemov bomo raziskovali tudi adsorbente z znano geometrijo - n.pr. adsorpcijo v cilindričnih mikroporah (4,9).3. Molekule proteinov se združujejo v skupke zaradi kratkosežnih sil. Pred kratkim smo predlagali model, kjer se molekule združujejo v pare (7). Model nameravamo razširiti tako, da bo vključeval dodatek navadnega elektrolita, tvorbo trimerov in višjih agregatov in tako omogočil interpretacijo naših eksperimentalnih rezultatov za osmozne koeficiente v raztopinah proteinov. Ker smo pred kratkim dobili aparaturo za ozkokotno rentgensko sipanje, bomo teoretične rezultate preverjali z meritvami oblike agregatov in korelacij med njimi (10). 4. Pomemben del programa bo študij hidratacije nepolarnega topljenca. Cilj je prispevati k pojasnitvi zaporedja ionov v Hoffmeistrovi vrsti. V ta namen bomo uporabili več različnih modelov vode (2-d model, CF model) in raziskovali hidratacijo posameznih vrst ionov. V nadaljevanju želimo proučiti vpliv vrste iona (pomemben parameter je gostota naboja) na kemični potencial nevtralne komponente. Raziskave so med drugim pomembne tudi za razumevanje stabilnosti proteinov v raztopini.(*) Citati iz točke 3.1.
Pomen za razvoj znanosti
Elektrokemija raztopin ima pomembno mesto v znanosti in tehnologiji. Nekateri ioni (n.pr. Na, K, Cl ali Ca) igrajo pomembno vlogo v bioloških procesih - pogosto je elektrolit v stiku z nabito membrano. Enako pomembni so biološki polielektroliti, n.pr. nukleinske kisline in globularni proteini. Za živilsko, farmacevtsko in tekstilno tehnologijo so pomembni predvsem umetni polielektroliti, površinsko aktivne snovi, mikroemulzije in koloidne suspenzije. Za uspešno vodenje tehnoloških procesov ali za razumevanje zapletenih bioloških pojavov je potrebno razumeti dogajanja na molekularnem nivoju. Meritve nam dajo osnovne podatke o raztopinah, teorije pa nam omogočajo razumevanje merskih rezultatov in ovrednotenje posameznih vplivov. Lahko rečem, da vsak napredek v razumevanju raztopin elektrolitov prispeva k boljšemu poznavanju pojavov v naravi in olajšuje njihovo uporabo v tehnologiji. Program, ki ga predlagamo, je povezan z delom raziskovalnih skupin v ZDA, Nemčiji, Mehiki in Ukrajini. V sodelovanju z njimi ali sami smo razvili teoretične metode, ki omogočajo študij raztopin elektrolitov in njihovo interakcijo z nabito površino. Tako smo predlagali novo teorijo za študij močno nesimetričnih elektrolitov, prvi smo začeli raiskovati adsorpcijo elektrolita v neurejeni porozni snovi, pomemben je naš prispevek k razumevanju interakcij med makroioni in pa mešanic elektrolita z nenabito komponento. O pomenu raziskovalnega programa pričajo objave v uglednih znanstvenih revijah in citiranost del.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskovalno delo je na Univerzi nujno potrebno - brez raziskav Univerze ni. Ob raziskavah se učitelj, skupaj s svojimi sodelavci, uči. To znanje mu omogoča, da lahko kvalitetno predava, vodi mlajše raziskovalce in sledi razvoju stroke v svetu. Vodja te skupine je pred približno dvajsetimi leti začel pri svojem delu uporabljati metode statistične termodinamike. Tedaj so bile te metode (n.pr. računalniške simulacije) novost, danes imajo v raziskavah zelo pomembno mesto. Osnove statistične termodinamike se predavajo pri predmetu Fizikalna kemija II. Če predavatelj ne bi raziskoval, in sam uporabljal metod statistične termodinamike, tega predmeta ne bi mogel predavati. Študentje kemije tako ne bi imeli stika z dvajsetletnim razvojem na tem pomembnem področju fizikalne kemije.Pri svojem raziskovalnem delu smo uporabili mnoge teoretične metode in nekatere priredili ali dopolnili za probleme v kemiji, kemijski tehnologiji in inženirstvu. Za tehnologa je poznavanje lastnosti snovi v obliki enačbe stanja ali faznega diagrama nujno potrebno. Merjenja nam dajo niz podatkov o lastnostih sistema v odvisnosti od posameznih spremenljivk, kot so koncentracija, temperatura in druge. Ti podatki so sicer koristni, a sami po sebi ne povedo, kaj se dogaja v raztopini. Pomembno je vedeti, zakaj so odvisnosti takšne kot so, in kako se v merskih podatkih odražajo lastnosti delcev, ki sestavljajo sistem. Metode statistične termodinamike omogočajo razumevanje lastnosti snovi na molekularnem nivoju. Uporabnost našega dela je tudi v tem, da tu nastaja zaloga znanja, ki ga lahko izkoriščajo drugi. V preteklih letih smo sodelovali (in imamo skupne objave) s kemijskimi, farmacevtskimi in tekstilnimi tehnologi ter strokovnjaki s področja kemijskega inženirstva. Če želimo biti uspešni v uporabnih raziskavah, potrebujemo solidno osnovno znanje. To znanje, to velja tako za raziskovalne metode kot za poznavanje lastnosti elektrolitov in polielektrolitov, je sedaj tu in omogoča raziskovalcem, ki se ukvarjajo z bolj uporabnimi raziskavami, da pridejo po nasvet.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
