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Potenziale di Lennard-Jones

1924
  • John Lennard-Jones
Scena di laboratorio con scienziato che esegue simulazioni di dinamica molecolare utilizzando il potenziale di Lennard-Jones.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Un modello matematico semplice e ampiamente utilizzato che approssima l'energia potenziale di interazione tra due atomi o molecole neutre. Combina un termine attrattivo a lungo raggio ([latex]propto r^{-6}[/latex]) che rappresenta Van der Waals forze con un termine repulsivo ripido e a corto raggio ([latex]propto r^{-12}[/latex]) che rappresenta la repulsione di Pauli. La formula è [latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} – (frac{sigma}{r})^6][/latex].

Il potenziale di Lennard-Jones è una pietra angolare della fisica e della chimica computazionale grazie alla sua semplicità ed efficacia nel catturare la fisica essenziale delle interazioni atomiche. Il potenziale descrive due caratteristiche principali. La parte attrattiva, [latex]-(frac{sigma}{r})^6[/latex], modella il Forza di dispersione di Londra, che domina a distanze medio-lunghe. La dipendenza da [latex]r^{-6}[/latex] è teoricamente giustificata per l'interazione tra due dipoli indotti. La parte repulsiva, [latex]+(frac{sigma}{r})^{12}[/latex], modella la forte repulsione che si verifica quando due atomi si avvicinano molto e le loro nubi elettroniche iniziano a sovrapporsi. Questa repulsione è una conseguenza del principio di esclusione di Pauli. La forma [latex]r^{-12}[/latex] è stata scelta principalmente per comodità computazionale (come il quadrato del termine [latex]r^{-6}[/latex]), sebbene fornisca una ragionevole approssimazione della ripida parete repulsiva.

I due parametri del modello hanno un chiaro significato fisico: ε (ε) rappresenta la profondità del pozzo di potenziale, ovvero l'intensità dell'attrazione, e σ (σ) è la distanza alla quale l'energia potenziale è zero, rappresentando il diametro effettivo dell'atomo. Pur essendo un'approssimazione, il potenziale di Lennard-Jones si dimostra straordinariamente efficace nel predire le proprietà di sostanze semplici e non polari e funge da elemento fondamentale per campi di forza più complessi utilizzati per simulare proteine, polimeri e altri materiali.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Fisica atomica e molecolare

Tipo

Modello matematico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Teorie delle forze di Van der Waals (Keesom, Debye, Londra)
  • Il principio di esclusione di Pauli dalla meccanica quantistica
  • Il potenziale di Mie, una forma più generale di potenziale interatomico
  • Primi lavori sulle equazioni di stato per i gas reali

Applicazioni

  • dinamica molecolare (MD) e Monte Carlo Simulazioni MC di fluidi, solidi e gas semplici.
  • chimica computazionale e scienza dei materiali per lo sviluppo di campi di forza
  • modellazione termodinamico proprietà e diagrammi di fase di sostanze come l'argon
  • fornire un modello di base per le forze interatomiche nell'insegnamento della fisica

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • sviluppo di campi di forza altamente ottimizzati per simulazioni di ripiegamento proteico e scoperta di farmaci
  • metodi basati sull'intelligenza artificiale per derivare potenziali interatomici accurati direttamente dai dati della meccanica quantistica
  • simulazione in tempo reale della frattura del materiale e della propagazione dello stress
  • screening virtuale di materiali per applicazioni di stoccaggio di gas (ad esempio, idrogeno, CO2)
  • design of self-assembling nanostructures through computer simulation
  • predictive modeling of viscosità and transport properties in novel liquid mixtures
  • simulatori per studiare le prime fasi della nucleazione e della crescita dei cristalli
  • software didattico per l'esplorazione interattiva delle forze atomiche e delle transizioni di fase
  • algoritmi per la progettazione di materiali con dilatazione termica negativa
  • creazione di gemelli digitali per reattori chimici per ottimizzare le prestazioni
Related to: Lennard-Jones potential, molecular dynamics, potential energy, intermolecular force, Pauli repulsion, Van der Waals, computational chemistry, simulation, force field, argon.

Contesto storico

Potenziale di Lennard-Jones

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1924
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1926
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1927

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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