Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Physik

Fachgebiet: Theoretische Physik

Betreuer: Prof. Dr. Oliver Kühn



M.Sc. Tobias Zentel
(e-mail: tobias.zentel@uni-rostock.de )

Molekulardynamik-Simulationen von H-Brücken in ionischen Flüssigkeiten

Die vorliegende Arbeit untersucht H-Brücken-Netzwerke in ionischen Flüssigkeiten mit Hilfe von molekulardynamischen Methoden. Ein umfassendes Verständnis der Struktur und Dynamik der H-Brücken ist wichtig, da sie, die für potentielle Anwendungen interessanten, makroskopischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen. Hinweise für die viel diskutierte Existenz von H-Brücken in der prototypischen aprotischen ionischen Flüssigkeiten [C2mim][NTf2] wurden, durch einen Vergleich von Dephasierungszeiten aus hybriden Quanten-Klassischen-Simulationen mit experimentellen Kohärenten Anti-Stokes-Raman-Spektren, gefunden. Die Eigenschaften von H-Brücken werden im Weiteren an den stärker wasserstoff-verbrückten protischen ionischen Flüssigkeiten, Triethylammonium Nitrat und Ethylammonium Nitrat, anhand von geometrischen Korrelationen und der mittels Infrarot-Spektroskopie untersuchten Schwingungsdynamik diskutiert. Schließlich wurde ein drei-dimensionales H-Brücken-Netzwerk als Ursache einer erstaunlich kurzen Reorientierungskorrelationszeit identifiziert.

In this thesis the properties of H-bonds in ionic liquids are investigated via molecular dynamic simulations. The understanding of H-bond structure and dynamics is vital to control the macroscopic properties and develop ionic liquids for future applications. Evidence for the much debated existence of H-bonds in the prototypical aprotic ionic liquid [C2mim][NTf2] is found through a comparison of dephasing times extracted from a hybrid quantum-classical simulation and coherent anti-Stokes Raman spectroscopy. The properties of H-bonds are studied in detail for two prototypical protic ionic liquids, i.e. triethylammonium nitrate and ethylammonium nitrate, by means of density functional based tight binding theory. Geometric correlations within the H-bonds and vibrational dynamics in the form of infrared spectra are analysed to elucidate H-bond properties. Furthermore, the three-dimensional H-bond network in the studied ionic liquid is identified as the reason for a surprisingly fast loss of reorientational correlation.