Potentiel Mie

Le potentiel de Mie est un potentiel d'interaction décrivant les interactions entre particules au niveau atomique. Il est principalement utilisé pour décrire les interactions intermoléculaires, mais parfois aussi pour modéliser les interactions intramoléculaires, c'est-à-dire les liaisons.

Le potentiel de Mie doit son nom au physicien allemand Gustav Mie ; mais l'histoire des potentiels intermoléculaires est plus compliquée. Le potentiel de Mie est le cas généralisé du potentiel de Lennard-Jones (LJ) , qui est peut-être le potentiel de paire le plus largement utilisé.

Le potentiel de Mie est une fonction de , la distance entre deux particules, et s'écrit

avec

Le potentiel de Lennard-Jones correspond au cas particulier où et dans l'équation (1). Dans l'équation (1), est l'énergie de dispersion et indique la distance à laquelle , qui est parfois appelée « rayon de collision ». Le paramètre est généralement indicatif de la taille des particules impliquées dans la collision. Les paramètres et caractérisent la forme du potentiel : décrit le caractère de la répulsion et décrit le caractère de l'attraction.

L'exposant attractif est physiquement justifié par la force de dispersion de London [ alors qu'aucune justification n'est connue pour une certaine valeur de l'exposant répulsif. Le paramètre de pente répulsive a une influence significative sur la modélisation des propriétés dérivées thermodynamiques, par exemple la compressibilité et la vitesse du son . Par conséquent, le potentiel de Mie est un potentiel intermoléculaire plus flexible que le potentiel de Lennard-Jones plus simple.

Le potentiel de Mie est aujourd'hui utilisé dans de nombreux champs de force en modélisation moléculaire . En général, l'exposant attractif est choisi égal à , tandis que l'exposant répulsif est utilisé comme paramètre ajustable lors de l'ajustement du modèle.

En ce qui concerne le Lennard-Jonesium , où il existe une substance théorique définie par des particules interagissant par le potentiel de Lennard-Jones, il existe une classe de substances de Mie qui sont définies comme des particules sphériques à site unique interagissant par un potentiel de Mie donné. Puisqu'il existe un nombre infini de potentiels de Mie (utilisant différents paramètres n, m ), il existe autant de substances de Mie, contrairement au Lennard-Jonesium, qui est défini de manière unique. Pour les applications pratiques en modélisation moléculaire , les substances de Mie sont principalement pertinentes pour la modélisation de petites molécules, par exemple les gaz nobles , et pour la modélisation à gros grains , où des molécules plus grosses, ou même un ensemble de molécules, sont simplifiées dans leur structure et décrites par une seule particule de Mie. Cependant, des molécules plus complexes, telles que les alcanes à longue chaîne , ont été modélisées avec succès comme des chaînes homogènes de particules de Mie. En tant que tel, le potentiel de Mie est utile pour modéliser des systèmes beaucoup plus complexes que ceux dont le comportement est capturé avec précision par des particules de Mie « libres ».

Les propriétés thermophysiques du fluide de Mie et des molécules en chaîne construites à partir de particules de Mie ont fait l'objet de nombreux articles ces dernières années. Les propriétés étudiées comprennent les coefficients viriels et les propriétés interfaciales , l'équilibre vapeur-liquide et les propriétés de transport . Sur la base de ces études , la relation entre la forme du potentiel d'interaction (décrit par n et m ) et les propriétés thermophysiques a été élucidée.

De plus, de nombreux modèles théoriques (analytiques) ont été développés pour décrire les propriétés thermophysiques des substances Mie et des molécules en chaîne formées à partir de particules Mie, tels que plusieurs équations d'état thermodynamiques et des modèles pour les propriétés de transport.

Il a été observé que de nombreuses combinaisons de différents ( ) peuvent produire un comportement de phase similaire , et que cette dégénérescence est capturée par le paramètre

où les fluides avec des exposants différents, mais le même paramètre présenteront le même comportement de phase.

En raison de sa flexibilité, le potentiel de Mie est un choix populaire pour la modélisation de fluides réels dans des champs de force. Il est utilisé comme potentiel d'interaction dans de nombreux modèles moléculaires aujourd'hui. Plusieurs champs de force transférables à atomes unis (fiables) sont basés sur le potentiel de Mie, comme celui développé par Potoff et ses collègues. Le potentiel de Mie a également été utilisé pour la modélisation à gros grains. Des outils électroniques sont disponibles pour construire des modèles de champ de force de Mie pour les champs de force à atomes unis et les champs de force transférables. Le potentiel de Mie a également été utilisé pour modéliser de petites molécules sphériques (c'est-à-dire directement la substance de Mie - voir ci-dessus). Le tableau ci-dessous donne quelques exemples. Dans ces cas, les modèles moléculaires n'ont que les paramètres du potentiel de Mie lui-même.