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Potencial de Lennard-Jones

1924
  • John Lennard-Jones
Cena de laboratório com um cientista realizando simulações de dinâmica molecular usando o potencial de Lennard-Jones.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Um modelo matemático simples e amplamente utilizado que aproxima a energia potencial de interação entre dois átomos ou moléculas neutras. Ele combina um termo atrativo de longo alcance ([latex]propto r^{-6}[/latex]) representando Van der Waals forças com um termo repulsivo íngreme de curto alcance ([latex]propto r^{-12}[/latex]) representando a repulsão de Pauli. A fórmula é [latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} – (frac{sigma}{r})^6][/latex].

O potencial de Lennard-Jones é um pilar da física e da química computacionais devido à sua simplicidade e eficácia em capturar a física essencial das interações atômicas. O potencial descreve duas características principais. A parte atrativa, [latex]-(frac{sigma}{r})^6[/latex], modela a força de dispersão de Londres, que domina em alcances médios a longos. A dependência em [latex]r^{-6}[/latex] é teoricamente justificada para a interação entre dois dipolos induzidos. A parte repulsiva, [latex]+(frac{sigma}{r})^{12}[/latex], modela a forte repulsão que ocorre quando dois átomos se aproximam muito e suas nuvens eletrônicas começam a se sobrepor. Essa repulsão é uma consequência do princípio de exclusão de Pauli. A forma [latex]r^{-12}[/latex] foi escolhida principalmente por conveniência computacional (como o quadrado do termo [latex]r^{-6}[/latex]), embora forneça uma aproximação razoável da parede repulsiva íngreme.

Os dois parâmetros do modelo têm significados físicos claros: ε (epsilon) é a profundidade do poço de potencial, representando a intensidade da atração, e σ (sigma) é a distância na qual a energia potencial é zero, representando o diâmetro efetivo do átomo. Apesar de ser uma aproximação, o potencial de Lennard-Jones é notavelmente eficaz na previsão das propriedades de substâncias simples e apolares, servindo como um bloco de construção fundamental para campos de força mais complexos usados ​​para simular proteínas, polímeros e outros materiais.

UNESCO Nomenclature: 2202
Física atômica e molecular

Tipo

Modelo Matemático

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Teorias das forças de Van der Waals (Keesom, DébyLondres)
  • O Princípio da Exclusão de Pauli da mecânica quântica
  • O potencial de Mie, uma forma mais geral de potencial interatômico.
  • Primeiros trabalhos sobre equações de estado para gases reais

Aplicações

  • dinâmica molecular (DM) e Monte Carlo Simulações de Monte Carlo (MC) de fluidos, sólidos e gases simples.
  • química computacional e ciência dos materiais para o desenvolvimento de campos de força
  • modelagem termodinâmica Propriedades e diagramas de fase de substâncias como o argônio
  • Fornecer um modelo básico para forças interatômicas no ensino de física.

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • development of highly optimized force fields for protein folding simulations and drug discovery
  • ai-based methods to derive accurate interatomic potentials directly from quantum mechanical data
  • real-time simulation of material fracture and stress propagation
  • virtual screening of materials for gas storage (e.g., hydrogen, CO2) applications
  • design of self-assembling nanostructures through computer simulation
  • predictive modeling of viscosidade and transport properties in novel liquid mixtures
  • simulators for studying the early stages of crystal nucleation and growth
  • educational software for interactive exploration of atomic forces and phase transitions
  • algorithms for designing materials with negative thermal expansion
  • creation of digital twins for chemical reactors to optimize performance
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

1920
1921
1922
1924
1925
1926
1926
1920
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1926
1927

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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