Subtile ion-interaktioner på molekylært niveau gør det muligt for forskere at indstille smeltepunktet for ioniske forbindelser

Selvom modsatte ladninger altid tiltrækker, de interagerer ikke altid så tæt som muligt. I en ny undersøgelse, forskere brugte en kombination af molekylære simuleringer og eksperimenter til at demonstrere virkningerne af subtilt at ændre strukturen af ​​positivt ladede kationer i forbindelser, der består af ioner. Disse ændringer tilskynder kationerne til at justere med hinanden i den faste fase af stoffet. Dette reducerer nogle typer potentielle interaktioner mellem kationer og negativt ladede anioner i den faste fase. Denne kationjustering reducerer også smeltepunktet for den ioniske forbindelse, ofte betydeligt.

Mange kemiske processer kræver væsker som opløsningsmidler til kemiske reaktioner, smøremidler, varmeoverførselsvæsker. Væskerne fordamper ofte i processen. Dette kan skabe farlige emissioner. Flydende ioniske forbindelser (ioniske væsker) tilbyder en løsning på dette problem, fordi de har meget lav flygtighed, hvilket betyder, at de er mindre tilbøjelige til at fordampe. Nogle ioniske væsker er stabile ved høje temperaturer, men deres smeltepunkter kan være for høje til praktisk brug. Resultaterne af dette arbejde giver videnskabsmænd et nyt sæt værktøjer til at designe ioniske forbindelser med lavere smeltepunkter. Disse resultater vil gøre det muligt for forskere at designe ioniske forbindelser til brug over et bredere område af temperaturer og anvendelser.

Ioniske væsker er salte, der er væsker ved den temperatur, hvor de bruges. Disse væsker har en række potentielle anvendelser i miljøvenlige processer. I særdeleshed, termisk stabile ioniske væsker viser lovende som højtemperaturopløsningsmidler og varmeoverførselsvæsker. Imidlertid, disse ioniske væsker kan have smeltepunkter, der er langt over stuetemperatur. Dette begrænser deres bearbejdelighed ved lavere temperaturer. Dermed, at forstå, hvordan man sænker smeltepunktet for disse forbindelser, vil udvide deres potentielle anvendelse og muliggøre teknologier, der er afhængige af dem.

Forskere ved, at strukturelle ændringer, specifikt dem, der giver betydelig asymmetri, sænke smeltepunkterne for en lang række forbindelser. Disse strukturelle ændringer er ikke mulige, mens termisk robuste forbindelser opretholdes, da mange almindelige kemiske strukturer har lav termisk stabilitet. Forskere har i den aktuelle undersøgelse vist, at subtile strukturelle ændringer, der også øger kationens dipolmoment, kan sænke smeltepunkterne betydeligt. Beregningssimulering giver indsigt på molekylært niveau og demonstrerer, at stigningen i dipolmoment får kationerne til at flugte med hinanden i den faste fase. Dette frustrerer igen anion/kation-interaktioner og øger fastfase-entalpien (et mål for varme eller arbejde i systemet). Denne stigning i fastfase-entalpien mindsker fusionsentalpien, hvilket resulterer i lavere smeltepunkter. Denne undersøgelse giver en designregel til at sænke smeltepunktet for strukturelt lignende ioniske væsker ved at ændre deres dipolmoment.