5. oktoobril kell 12.15 kaitseb Karl Karu keemia erialal doktoritööd „Computer modeling of ionic liquid properties and behavior at the molecular and interfacial levels“ („Ioonsete vedelike omaduste ja käitumise arvutuslik modelleerimine molekulaarsel tasandil ja piirpindadel“).
Juhendajad:
kaasprofessor Vladislav Ivaništšev, TÜ keemia instituut
kaasprofessor Kaija Põhako-Esko, TÜ keemia instituut
Oponent:
Associate Professor Naoya Nishi, Doctor of Engineering, Graduate School of Engineering, Kyoto University, Japan
Kokkuvõte:
Enamik tuttavaid vedelikke koosneb neutraalsetest molekulidest. Ioonsed vedelikud on seevastu soolad, mis koosnevad ainult positiivselt ja negatiivselt laetud ioonidest ning võivad püsida vedelana toatemperatuuri lähedal. Ühe või teise iooni vahetamisel saab luua tohutul hulgal võimalikke vedelikke, mille omadusi saab kohandada kindla otstarbe jaoks. Kuna ioonsed vedelikud peaaegu ei aurustu ning võivad püsida stabiilsena kõrgetel temperatuuridel ja pingetel, on neil suur potentsiaal kasutamiseks akudes, superkondensaatorites, andurites, keskkonnasõbralikemates keemilistes protsessides ja pehmetes elektroaktiivsetes täiturites. Selline paindlikkus tekitab aga praktilise probleemi: iga võimaliku ioonide kombinatsiooni katsetamine laboris oleks aeglane ja kulukas. Käesolevas doktoritöös töötati välja arvutuslikud töövood, mille abil saab ioonseid vedelikke virtuaalselt sõeluda. Kvantkeemiliste arvutustega kirjeldati, kui tugevalt ioonid vastastikku mõjuvad ja kui kergesti need võivad laguneda. Molekulaardünaamika simulatsioonides jälgiti paljude ioonide kollektiivset liikumist vedelikus ning nende korrastumist laetud elektroodide lähedal. Masinõppe mudelid aitasid laiendada ennustusi suuremale hulgale kandidaatidele. Üheskoos võimaldasid need meetodid hinnata sulamistemperatuure, elektroaktiivsete täiturite deformatsiooni, elektrokeemilist stabiilsust ja piirpinna ioonikihtide muutusi. Korrigeeritud tihedusfunktsionaal võimaldas saavutada hea täpsuse märksa väiksema arvutuskuluga kui nõudlikud võrdlusarvutused. Uus simulatsiooni töövoog ennustas madala toksilisusega ja biolagunevate koliinipõhiste ioonsete vedelike sulamistemperatuure ilma nende kristallstruktuuride abita. Piirpinna analüüs näitas, et tavapärastel töötingimustel kipuvad elektroodi lähedal olevad ioonid pigem elektroodi laengut ülekompenseerima kui tihedalt kuhjuma. Lõpuks andis elektrokeemilise stabiilsuse ja ioonide liikumise lihtsuse ühendamine praktilise kaardi paljutõotavate elektrolüütide leidmiseks. Need tööriistad võivad vähendada vajalike laborikatsete arvu ning aidata kavandada ohutumaid ja kestlikumaid materjale erinevate rakenduste, muuhulgas energiatehnoloogiad, täiturid ja sensorid, jaoks.
