Было обнаружено, что гидратированные ионы обладают загадочными свойствами в новых ионных батареях или появляются

Недавно китайские ученые привели мир к получению первого атомного изображения гидратированных ионов натрия и обнаружили эффект иллюзии переноса гидратированных ионов. Это исследование посвящено таким темам, как разработка ионных батарей, опреснение морской воды и биологические ионные каналы.

Исследования открыли новую дверь.

Это исследование было опубликовано 14 мая в ведущем международном научном журнале Nature. Результаты были получены в Центре квантовых материаловедения Пекинского университета, Цзян Сюлимэй, Гаойи, Школе химии и молекулярной инженерии Пекинского университета и Вангенге.

Разоблачите самый загадочный слой молекул воды.

Вода - самое распространенное, наиболее известное и наименее изученное вещество в природе. Почему вода такая загадочная? "Это связано с ее составом. Один из авторов информационного бюллетеня статьи, академик Вангенге из Китайской академии наук, сказал журналистам, что, поскольку атом водорода в молекуле воды является самым легким атомом в периодической таблице элементов, он может не подлежат непосредственному изучению с использованием более простой классической модели частицы. Вместо этого необходимо "полностью квантованное" моделирование, то есть ее ядро и электроны должны рассматриваться как кванты, что значительно увеличивает сложность исследования.

«Взаимодействие воды с другими веществами - также очень сложный процесс. Один из авторов информационного бюллетеня статьи, профессор Цзяньгин из Центра квантового материаловедения Школы физики Пекинского университета, сказал, что наиболее распространенным является процесс гидратации ионов. . Когда соль растворяется в воде, растворенные ионы не находятся в свободном состоянии в воде, а объединяются с молекулами воды с образованием «кластера», называемого гидратом иона. «Можно сказать, что гидратация ионов повсеместна и играет важную роль в многие физические, химические и биологические процессы, такие как растворение соли, электрохимические реакции, перенос ионов в организме, загрязнение атмосферы, опреснение морской воды и коррозия. "

Какая микроструктура имеет ионный гидрат? Как оно движется? Эти вопросы всегда были предметом дискуссий в академическом сообществе. Понятно, что еще в конце 19-го века, люди осознали существование гидратации ионов и начал систематические исследования, но после того, как более ста лет напряженной работы, Есть много проблем, таких как количество слоев воды оболочки ионов, количество и конфигурация молекул воды в каждом слое комплекса воды, влияние ионов комплекса воды на структуру водородных связей и микроскопические факторы, которые определяют транспортные свойства ионов комплекса воды.

Впервые получены четкие изображения ионных гидратов.

В последние годы Вангенге и Цзяньгин работали с коллегами и студентами над разработкой технологии сканирующего зонда с высоким разрешением на атомном уровне и методов расчета полного квантования для систем легких элементов, накопив обширные исследования. Экспериментально-теоретическая база.

Чтобы получить изображение гидратированных ионов с высоким разрешением в атомном масштабе, сначала необходимо «отделить» один гидратированный ион.

Это довольно сложный вопрос. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали уникальную технику ионного контроля, основанную на сканирующем туннельном микроскопе, и разработали гидрат одного иона - используя очень острый металлический кончик иглы на поверхности пленки хлорида натрия. Перемещение, истощите единственный ион натрия, а затем «перетащите» молекулу воды, чтобы она связалась с ней. В результате получается один «ион гидрата натрия», содержащий разное количество молекул воды.

Следующая задача - определить геометрию отдельного ионного гидратного кластера с помощью визуализации с высоким разрешением.

В ответ на эту проблему исследователи разработали технологию визуализации с помощью атомно-силового микроскопа, основанную на модификации кончика иглы оксидом углерода, которая может полагаться на чрезвычайно слабые электростатические силы высокого уровня для сканирования изображений. Они применили этот метод к ионной гидратной системе, получили первое изображение с разрешением на уровне атомов и успешно определили конфигурацию ее атомной адсорбции.

Это первый случай, когда изображение гидратов ионов на атомном уровне было получено в реальном пространстве. И это изображение довольно четкое: можно не только точно определить адсорбционную позицию молекул и ионов воды, но и непосредственно идентифицировать даже небольшие изменения ориентации молекул воды. Можно сказать, что пространственное разрешение почти достигает предела атомов.

Откройте для себя чудесный кинетический «эффект фантомного числа».

После получения микроскопических изображений ионных гидратов исследователи дополнительно изучили их кинетические транспортные свойства и обнаружили интересный эффект: когда поверхность кристаллов хлорида натрия движется, гидраты ионов натрия, содержащие определенное количество молекул воды, похоже, страдают от «гиперактивности» - необычно высокая способность к диффузии, которая в 10-100 раз быстрее, чем у других гидратов. Исследователи называют эту характеристику «эффектом фантомного числа» динамики.

Откуда такое странное явление? Посредством симуляционных расчетов исследователи обнаружили, что этот эффект фантомного числа является производным от степени симметрии соответствия ионных гидратов поверхностным решеткам. Проще говоря, гидраты ионов натрия, содержащие 1, 2, 4 и 5 молекул воды, легко «застревают» на поверхности кристаллов хлорида натрия, в то время как гидраты ионов, содержащие 3 молекулы воды, трудно «застрять», потому что симметрия не соответствует субстрат. Так он будет очень быстро «скользить» по его поверхности.

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

Гидратированные ионы становятся управляемыми. Что они могут нам принести?

Понятно, что эта исследовательская работа была высоко оценена и оценена рецензентами в трех различных областях журнала Nature. Они полагают, что эта работа «немедленно вызовет широкий интерес в области теоретической и прикладной науки о поверхности» и «предоставит новые способы управления переносом гидратированных ионов на поверхность в наномасштабе и может быть распространена на другие гидратированные системы».

Академик Вангенге 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 важное потенциальное значение для многих связанных приложений. поля ".

Например, может быть разработан новый тип ионной батареи. Цзяньин сообщил журналистам, что литий-ионные батареи, которые мы используем сейчас, обычно состоят из макромолекулярных полимеров, и на основе этого нового исследования можно будет разработать новую батарею на основе гидратированного литий-ионного аккумулятора. «Эта батарея значительно увеличит скорость переноса ионов, что сократит время зарядки и увеличит мощность батареи. Она будет более экологически чистой, а стоимость будет значительно снижена».

Кроме того, этот результат также открыл новый путь для исследований в таких пограничных областях, как предотвращение коррозии, электрохимические реакции, опреснение морской воды и биологические ионные каналы. В то же время ожидается, что высокоточная экспериментальная технология, разработанная в этой работе, будет применяться к все более и более обширным системам гидратированных материалов в будущем.

Страница содержит содержимое машинного перевода.