Eines der allgegenwärtigsten und am schwersten fassbaren Konzepte der Chemie enthüllt
Selbst wenn wir sie bereits in der Schule lernen, sind die Oxidationszahlen bisher jeder strengen quantenmechanischen Definition entgangen. Eine neue, in Nature Physics veröffentlichte SISSA-Studie kehrt diesen Zustand um, indem sie eine solche Definition auf der Grundlage der Theorie der topologischen Quantenzahlen liefert, die mit dem Nobelpreis für Physik 2016 an Thouless, Haldane und Kosterlitz ausgezeichnet wurde. Dieses Ergebnis, kombiniert mit den jüngsten Fortschritten in der Verkehrstheorie, die bei SISSA erzielt wurden, ebnet den Weg für eine genaue, aber dennoch nachvollziehbare numerische Simulation einer breiten Klasse von Materialien, die in energiebezogenen Technologien und Planetenwissenschaften wichtig sind.
Oxidationszahlen werden aus der ganzzahligen Ladung definiert, die in periodischen Atompfaden transportiert wird, gemäß der Thouless-Theorie der Ladungs-Transportquantisierung. Die Abbildung zeigt einen minimalen Energiepfad eines K-Ions in einem Modell aus flüssigem KCl.
Grasselli and Baroni, SISSA
Jeder Student der Naturwissenschaften lernt, wie man einer chemischen Spezies, die an einer Reaktion teilnimmt, eine ganze Oxidationszahl zuordnet. Leider ist das Konzept der Oxidationszahl bisher einer strengen quantenmechanischen Definition entgangen, so dass bisher keine Methode bekannt war, Oxidationszahlen aus den grundlegenden Naturgesetzen zu berechnen, geschweige denn zu zeigen, dass ihre Verwendung in der Simulation des Ladungsverkehrs die Qualität numerischer Simulationen nicht beeinträchtigt. Gleichzeitig basiert die Bewertung der elektrischen Ströme in Ionenleitern, die zur Modellierung ihrer Transporteigenschaften erforderlich ist, derzeit auf einem schwerfälligen quantenmechanischen Ansatz, der die Machbarkeit groß angelegter Computersimulationen stark einschränkt. Wissenschaftler haben in letzter Zeit festgestellt, dass ein vereinfachtes Modell, bei dem jedes Atom eine Ladung trägt, die seiner Oxidationszahl entspricht, zu einer überraschend guten Übereinstimmung mit strengen, aber viel teureren Ansätzen führen kann. Durch die Kombination der neuen topologischen Definition der Oxidationszahl mit der kürzlich bei SISSA entdeckten sogenannten "Gauge Invarianz" der Transportkoeffizienten bewiesen Federico Grasselli und Stefano Baroni, dass das, was als reiner Zufall galt, tatsächlich auf soliden theoretischen Grundlagen steht und dass das einfache Ganzzahllademodell die elektrischen Transporteigenschaften von Ionenleitern ohne Annäherungen erfasst.
Neben der Lösung eines grundlegenden Rätsels in der Physik der kondensierten Materie stellt dieses im Rahmen des European MAX Centre of Excellence für Supercomputing-Anwendungen erzielte Ergebnis auch einen Durchbruch für Anwendungen dar, der rechnerisch realisierbare Quantensimulationen des Ladungstransports in ionischen Systemen von höchster Bedeutung in energiebezogenen Technologien, im Automobil- und Telekommunikationssektor sowie in den Planetensystemen ermöglicht. Diese Anwendungen reichen von Ionengemischen, die in Elektrolysezellen und Wärmetauschern in Kraftwerken eingesetzt werden, über Festkörper-Elektrolyt-Batterien für Elektroautos und elektronische Geräte bis hin zu den leitenden exotischen Wasserphasen im Inneren von Eisriesen, die mit dem Ursprung der Magnetfelder auf diesen Planeten in Verbindung gebracht werden sollen.
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