Гидратированные ионы становятся управляемыми, и что это может нам дать?

Недавно китайские ученые возглавили мир и впервые получили изображения гидратированных ионов натрия с разрешением в атомном масштабе и обнаружили эффект магического числа переноса гидратированных ионов. Это исследование открывает новую дверь для исследования таких актуальных тем, как исследования и разработки ионных батарей, опреснение морской воды и биологические ионные каналы.

Результаты исследования были опубликованы 14 мая в ведущем мировом академическом журнале Nature. Результаты были дополнены группой Цзян Инь Центра квантового материаловедения Пекинского университета, исследовательской группой Лимей Сюй, исследовательской группой Ицинь Гао из школы химии и молекулярной инженерии Пекинского университета и группой Энге Ван Китайской академии. наук / Пекинский университет.

Раскройте самый загадочный слой молекул воды.

Вода - одна из самых распространенных, наиболее известных и наименее изученных в природе. Почему вода такая загадочная? «Это связано с его составом». Ван Энге, академик Китайской академии наук, сказал журналистам, что, поскольку атомы водорода в молекулах воды являются самыми легкими атомами в периодической таблице, их нельзя использовать напрямую. Классическая модель частицы предназначена для ее изучения, но она должна моделировать «полное квантование», то есть ее ядро и электрон должны рассматриваться как квантовые, что значительно увеличивает сложность исследования.

«Взаимодействие воды с другими веществами - тоже очень сложный процесс». Ин Цзян, профессор Центра квантового материаловедения Школы физики Пекинского университета, один из авторов статьи, сказал, что наиболее распространенным является процесс гидратации ионов. Когда соль растворяется в воде, ионы, образующиеся после растворения, не являются свободными в воде, а объединяются с молекулами воды с образованием «кластера», называемого гидратом ионов. «Можно сказать, что гидратация ионов является повсеместной и играет важную роль во многих физических, химических и биологических процессах, таких как растворение солей, электрохимические реакции, перенос ионов в живых организмах, загрязнение воздуха, опреснение морской воды, коррозия и т. Д.»

Какая микроструктура имеет гидрат иона и как он движется? Эти вопросы были в центре научных дискуссий. Понятно, что еще в конце 19 века люди осознали существование гидратации ионов и начали систематические исследования, но после более чем ста лет усилий количество гидратированных оболочек ионов, количество и структура воды молекулы в каждом гидратном слое. Типы, влияние гидратированных ионов на структуру водородно-водородной связи и микроскопические факторы, определяющие транспортные свойства гидратированных ионов, не позволяют сделать окончательных выводов.

Распространяя туман, люди впервые видят четкие изображения гидрата ионов

В последние годы Энге Ван и Ин Цзян в сотрудничестве с коллегами и студентами разработали технологию сканирующего зонда с высоким разрешением на атомном уровне и метод расчета полного квантования для систем легких элементов, который накопил богатую экспериментальную и теоретическую основу для исследований.

Чтобы получить изображение гидратированных ионов с высоким разрешением в атомном масштабе, сначала необходимо «разделить» отдельные гидратированные ионы.

Это очень сложная вещь. Чтобы решить эту проблему, исследователи постоянно пытались и исследовали, на основе сканирующей туннельной микроскопии разработали уникальную технологию манипуляции с ионами для получения гидрата одного иона - используя очень острый металлический наконечник в пленке хлорида натрия. одиночный ион натрия, а затем «тянет» молекулы воды к себе. В результате получается один «гидратированный ион натрия», содержащий другое количество молекул воды.

После эксперимента по подготовке одиночного кластера гидрата иона следующей задачей является выяснение его геометрической адсорбционной конфигурации с помощью изображений с высоким разрешением.

В ответ на эту проблему исследователи разработали неинвазивный метод построения изображений AFM, основанный на модификации наконечника окиси углерода, который может полагаться на чрезвычайно слабые электростатические силы высокого порядка для сканирования изображения. Они применили эту технику к ионно-гидратной системе, впервые получили изображение с атомным разрешением и успешно определили конфигурацию ее атомной адсорбции.

Это первый случай в мире получения изображений гидратов ионов на атомном уровне в реальном космосе. Более того, это изображение довольно четкое: не только адсорбционная позиция молекул и ионов воды может быть точно определена, но даже небольшие изменения ориентации молекул воды могут быть непосредственно идентифицированы. Можно сказать, что пространственное разрешение - это почти предел атома.

Откройте для себя удивительную динамику «эффекта магического числа»

Получив микроскопические изображения гидратов ионов, исследователи дополнительно изучили их кинетические транспортные свойства и обнаружили интересный эффект: ионы натрия, содержащие определенное количество молекул воды, перемещаются по поверхности кристаллов хлорида натрия. Гидраты, кажется, страдают от «расстройства гиперактивности» - аномально высокой скорости диффузии, которая в 10-100 раз быстрее, чем у других гидратов. Исследователи называют эту особенность «эффектом магического числа» динамики.

Почему это странное явление? Посредством симуляционных расчетов исследователи обнаружили, что этот эффект магического числа является производным от степени соответствия симметрии между гидратом иона и поверхностной решеткой. Проще говоря, гидраты ионов натрия, содержащие 1, 2, 4 и 5 молекул воды, легко «застревают» на поверхности кристаллов хлорида натрия, а гидраты ионов натрия, содержащие 3 молекулы воды, из-за симметрии и подложки. Это не совпадает, но его сложно «застрять», поэтому он будет очень быстро «скользить» по поверхности.

Эта работа впервые установила прямую корреляцию между микроструктурой и транспортными свойствами ионных гидратов, обновив традиционное понимание переноса ионов в замкнутых системах.

Гидратированные ионы становятся управляемыми и могут что-то нам принести?

Понятно, что эта исследовательская работа была хорошо принята и оценена рецензентами в трех различных областях природы. Они полагают, что эта работа «немедленно вызовет широкий интерес к области теории и прикладной науки о поверхности», «предоставив новые способы транспортировки гидратированных ионов по поверхности, контролируемые наноразмером, и может быть распространена на другие системы гидратации».

Академик Энге Ван сказал: «Результаты этого исследования показывают, что мы можем достичь цели избирательного увеличения или ослабления транспортной способности определенных ионов, изменяя симметрию и периодичность поверхности материала. Это имеет важные последствия для многих связанных приложений. . "

Например, может быть разработан новый тип ионной батареи. Цзян Ин сказал репортерам, что литий-ионный аккумулятор, который мы используем сегодня, обычно состоит из макромолекулярных полимеров, и на основе этого последнего исследования можно разработать новый тип аккумулятора на основе гидратированных ионов лития. «Эта батарея значительно увеличит скорость переноса ионов, тем самым сократив время зарядки и увеличив мощность батареи, что сделает ее более экологически чистой и дорогой».

Кроме того, это достижение открыло новый путь для исследований в таких пограничных областях, как защита от коррозии, электрохимические реакции, опреснение морской воды и биологические ионные каналы. В то же время ожидается, что высокоточная экспериментальная технология, разработанная в этой работе, будет применена к более обширным гидратным системам в будущем.

Страница содержит содержимое машинного перевода.