物理学家揭开了化学中:最普遍、最难以捉摸的概念之一!
栏目:行业新闻 发布时间:2020-04-03 19:01

氧化值到目前为止还没有任何严格的量子力学定义,现在发表在《自然物理》上的一项新SISSA研究,基于拓扑量子数理论给出了这样一个定义。还记得2016年度诺贝尔物理学奖授予了索利斯(Thouless)、霍尔丹(Haldane)和科斯特利茨(Kosterlitz)吗?。这一结果,加上现在在SISSA所取得的运输理论研究进展,为精确而又容易处理、在能源相关技术和行星科学中具有重要意义的广泛材料数值模拟铺平了道路。

每一个自然科学专业的本科生都会学到如何将一个整数氧化值与参与反应的化学物质联系起来。不幸的是,氧化态这个概念至今还没有严格的量子力学定义,因此至今还没有一种方法可以从基本的自然规律计算氧化值,更不用说证明它们在模拟电荷输运时的使用,不会影响数值模拟的质量。

与此同时,离子导体中电流的评估目前是基于一种繁琐的量子力学方法,这严重限制了大规模计算机模拟的可行性。物理学家们现在注意到,一个简化的模型,即每个原子携带与其氧化值相等的电荷,可能会与严格但昂贵得多的方法惊人地一致。

费德里科格拉塞利和斯特凡诺巴罗尼将氧化数的新拓扑定义,与现在在SISSA发现所谓输运系数的“规范不变性”相结合,证明了被认为纯粹的巧合,实际上是建立在坚实的理论基础之上,而简单的整数电荷模型无需任何近似就能捕获离子导体的电输运特性。除了解决凝聚态物理中的一个基本难题,这一结果在欧洲超级计算应用卓越中心的框架内取得,也代表了应用领域的一个突破。

使离子系统中电荷传输的量子模拟在计算上是可行的,这在能源相关技术、汽车和电信行业以及行星科学领域都具有极其重要的意义。这种应用范围很广泛,从电解电池和发电厂热交换器中采用的离子混合物,到电动汽车和电子设备的固态电解质电池,甚至到发生在冰巨星内部水的导电异相,这些异相被认为与这些行星磁场的起源有关。

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