Solvatiseringsdrevet elektrokemisk aktivering

I en ny undersøgelse ledet af institutprofessor Maurizio Porfiri ved NYU Tandon, forskere viste et nyt princip om aktivering - at omdanne elektrisk energi til bevægelse. Denne aktiveringsmekanisme er baseret på solvation, interaktionen mellem opløst stof og opløsningsmiddelmolekyler i en opløsning. Dette fænomen er særligt vigtigt i vand, da dets molekyler er polære:oxygen tiltrækker elektroner mere end brint, sådan at ilt har en let negativ ladning og brint en lidt positiv. Dermed, vandmolekyler tiltrækkes af ladede ioner i opløsning, danner skaller omkring dem. Dette mikroskopiske fænomen spiller en afgørende rolle i opløsningernes egenskaber og i væsentlige biologiske processer såsom proteinfoldning, men forud for denne undersøgelse var der ingen beviser for potentielle makroskopiske mekaniske konsekvenser af solvatisering.

Gruppen af ​​forskere, som også omfattede Alain Boldini, en ph.d. kandidat i Department of Mechanical and Aerospace Engineering ved NYU Tandon, og Dr. Youngsu Cha fra Korea Institute of Science and Technology, foreslået, at solvation kunne udnyttes til at producere makroskopiske deformationer i materialer. Til denne ende, Porfiri og hans gruppe brugte ionomermembraner, unikke polymere materialer, hvori negative ladninger ikke kan bevæge sig. Positive ioner kan nemt trænge ind i disse membraner, mens negative ioner frastødes af dem. For at demonstrere aktivering, ionomermembraner blev nedsænket i en opløsning af vand og salt, mellem to elektroder. Påføring af en spænding over elektroderne fik membranen til at bøje. Papiret, "Solvationsdrevet elektrokemisk aktivering, " er udgivet i American Physical Society's Fysisk gennemgangsbreve .

Ifølge modellen udviklet af Porfiri og hans gruppe, spændingen forårsagede en strøm af positive ioner mod den negative elektrode. Disse ioner kom ind i membranen fra den ene side, sammen med vandmolekylerne i deres solvationsskaller. På den anden side af membranen, positive ioner og deres solvationsskaller blev slæbt udenfor. Membranen reagerede som en svamp:siden fuld af vand udvidede sig, mens siden med mindre vand krympede. Denne differentielle hævelse frembragte den makroskopiske bøjning af membranen. At studere aktivering med forskellige ioner hjælper med at forstå dette fænomen, da forskellige ioner tiltrækker et forskelligt antal vandmolekyler omkring sig.

Opdagelsen af ​​makroskopiske mekaniske konsekvenser af solvatisering baner vejen for mere forskning i membraner. Gruppen forventer anvendelser inden for elektrokemiske celler (batterier, brændstofceller, og elektrolysatorer), som ofte er afhængige af de anvendte membraner i denne undersøgelse. Disse membraner deler også ligheder med naturlige membraner, såsom cellemembraner, hvor de mekaniske virkninger af solvatisering stort set er ukendte.