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Potencial de Lennard-Jones

1924
  • John Lennard-Jones
Escena de laboratorio con un científico realizando simulaciones de dinámica molecular utilizando el potencial de Lennard-Jones.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Un modelo matemático simple y ampliamente utilizado que aproxima la energía potencial de interacción entre dos átomos o moléculas neutras. Combina un término atractivo de largo alcance ([latex]propto r^{-6}[/latex]) que representa Van der Waals fuerzas con un término repulsivo pronunciado y de corto alcance ([latex]propto r^{-12}[/latex]) que representa la repulsión de Pauli. La fórmula es [latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} – (frac{sigma}{r})^6][/latex].

El potencial de Lennard-Jones es una piedra angular de la física y la química computacionales debido a su simplicidad y efectividad para capturar la física esencial de las interacciones atómicas. El potencial describe dos características principales. La parte atractiva, [latex]-(frac{sigma}{r})^6[/latex], modela la Fuerza de dispersión de Londres, que predomina en rangos medios a largos. La dependencia [latex]r^{-6}[/latex] está teóricamente justificada para la interacción entre dos dipolos inducidos. La parte repulsiva, [latex]+(frac{sigma}{r})^{12}[/latex], modela la fuerte repulsión que ocurre cuando dos átomos se acercan mucho y sus nubes electrónicas comienzan a superponerse. Esta repulsión es consecuencia del principio de exclusión de Pauli. La forma [latex]r^{-12}[/latex] se eligió principalmente por conveniencia computacional (como el cuadrado del término [latex]r^{-6}[/latex]), aunque proporciona una aproximación razonable de la pared repulsiva pronunciada.

Los dos parámetros del modelo tienen significados físicos claros: ε (epsilon) representa la profundidad del pozo de potencial, es decir, la intensidad de la atracción, y σ (sigma) es la distancia a la que la energía potencial es cero, lo que representa el diámetro efectivo del átomo. A pesar de ser una aproximación, el potencial de Lennard-Jones predice con notable precisión las propiedades de sustancias simples y no polares, y constituye un componente fundamental para campos de fuerza más complejos utilizados en la simulación de proteínas, polímeros y otros materiales.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Física atómica y molecular

Tipo

Modelo matemático

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Teorías de las fuerzas de Van der Waals (Keesom, Debye, Londres)
  • El principio de exclusión de Pauli de la mecánica cuántica
  • El potencial de Mie, una forma más general de potencial interatómico
  • Trabajos tempranos sobre ecuaciones de estado para gases reales

Aplicaciones

  • dinámica molecular (DM) y Montecarlo Simulaciones (MC) de fluidos, sólidos y gases simples.
  • Química computacional y ciencia de los materiales para el desarrollo de campos de fuerza
  • modelado termodinámica Propiedades y diagramas de fases de sustancias como el argón.
  • Proporcionar un modelo básico para las fuerzas interatómicas en la enseñanza de la física.

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Desarrollo de campos de fuerza altamente optimizados para simulaciones de plegamiento de proteínas y descubrimiento de fármacos
  • Métodos basados ​​en inteligencia artificial para derivar potenciales interatómicos precisos directamente a partir de datos mecánicos cuánticos
  • Simulación en tiempo real de la fractura del material y la propagación de tensiones
  • Selección virtual de materiales para aplicaciones de almacenamiento de gas (por ejemplo, hidrógeno, CO2)
  • design of self-assembling nanostructures through computer simulation
  • predictive modeling of viscosidad and transport properties in novel liquid mixtures
  • Simuladores para estudiar las primeras etapas de la nucleación y el crecimiento de cristales
  • Software educativo para la exploración interactiva de las fuerzas atómicas y las transiciones de fase.
  • Algoritmos para diseñar materiales con expansión térmica negativa
  • Creación de gemelos digitales para reactores químicos para optimizar el rendimiento
Related to: Lennard-Jones potential, molecular dynamics, potential energy, intermolecular force, Pauli repulsion, Van der Waals, computational chemistry, simulation, force field, argon.

Contexto histórico

Potencial de Lennard-Jones

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1926
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1927

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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