Udforskning af forholdet mellem to-kroppen og kollektivet

Fra batterier til biologi, saltholdige væsker er afgørende for den fortsatte ydeevne. Nøjagtig forståelse af disse væskers adfærd afhænger af korrekt afbildning af de molekylære strukturer, de danner. Dr. Marcel Baer, Dr. Timothy Duignan, og Dr. Christopher Mundy ved Pacific Northwest National Laboratory fastslog, at den præcise struktur af et par ioner isoleret i vand nøjagtigt rapporterer om, hvordan en hel opløsning vil opføre sig.

"Denne nøjagtige lokale struktur er den vigtige brik i forbindelse med det mikroskopiske til makroskopiske, eller iboende egenskaber af ionerne i opløsning til kollektive egenskaber, " sagde Mundy, der ledede studierne på PNNL.

Ved at integrere beregninger og eksperimenter omkring to ioner, der danner et ionpar salt, teamet kan forstå løsningens kollektive karakter. Nemlig, holdet kan forstå klyngestatistikken, da den relaterer til ionernes specifikke adfærd ved forskellige koncentrationer, som måles med den osmotiske koefficient. Specifikt, dannes elektrolytten i klynger eller forbliver som isolerede ioner i forskellige koncentrationer?

Elektrolytters adfærd og artsdannelse påvirker alt fra deres brug som batterielektrolytter til deres adfærd i komplekst nukleart affald. Ved at forstå, hvordan individuelle egenskaber af ioner informerer deres kollektive adfærd, videnskabsmænd kan bestemme, hvordan koncentrationen og typen af ​​elektrolyt skal skræddersyes til specifikke applikationer.

Holdet undersøgte, hvordan den korrekte molekylære struktur påvirker opløsningens termodynamik. De bestemte strukturen gennem udvidet røntgenabsorptionsfinstrukturmålinger og molekylær simulering baseret på kvantemekanik. Teamets arbejde viser, at det er muligt at forudsige i hvilken grad ioner er parret i opløsning (kaldet aktivitet) ved hjælp af nøjagtige beskrivelser af det lokale ion-vand, og ion-ion-interaktioner.

I en samtidig inviteret anmeldelsesartikel med Dr. Tim Duignan, holdet demonstrerede, hvordan man får parringen rigtigt med beregninger på højt niveau. Resultaterne giver de nødvendige molekylære detaljer for at forbedre makroskopiske teorier om ionopløsning.