Bare klem dig ind - forskere opdager, når pladserne er trange, naturen løsner sine love

Det viser sig, at når de har travlt og pladsen er begrænset, ioner, som mennesker, vil finde en måde at proppe på - selvom det betyder at trodse naturens normer. Nylig offentliggjort forskning fra et internationalt hold af videnskabsmænd, herunder Drexel Universitys Yury Gogotsi, Ph.d., viser, at de ladede partikler faktisk vil give afkald på deres "modsætninger tiltrækker" adfærd, kaldet Coulombic bestilling, når det er indespærret i de små porer i et nanomateriale. Denne opdagelse kan være en afgørende udvikling for energilagring, vandbehandling og alternative energiproduktionsteknologier, som alle involverer ioner, der pakkes ind i nanoporøse materialer.

I deres papir, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer , forskerne forklarer, hvordan Coulombic-orden i flydende salte begynder at nedbrydes, når ioner er indespærret i små rum - specifikt kulstofporer mindre end en nanometer i diameter. Og jo smallere poren er, jo mindre klæber ionerne til Coulombic bestilling.

"Dette er første gang, at brud på Coulombic-ordenen i subnanometer-porer er blevet overbevisende demonstreret, "sagde Gogotsi, forfatter til papiret, som er Distinguished University og Bach -professor i Drexel's College of Engineering. "Brydningen af ​​symmetriprincipper, ligesom Coulombic bestilling, spiller en væsentlig rolle i naturen. Men mange af disse processer sker uden at vi forstår dem og kender deres mekanismer. Videnskaben kan afsløre disse skjulte processer. Og hvis vi forstår dem, vi kan i sidste ende udvikle bedre teknologi ved at arbejde på de samme nanometer- og subnanometerskalaer, som naturen gør."

For at gøre sin opdagelse, holdet – inklusive forskere fra Shinshu University i Japan; Loughborough University i Det Forenede Kongerige; University of Adelaide i Australien; og Sorbonne University, det franske forskningsnetværk for elektrokemisk energilagring, og Paul Sabatier University i Frankrig – skabte to sæt kulstof nanomaterialer. En havde porer på mindst en nanometer i diameter og en med porer mindre end en nanometer. De brugte derefter materialerne til at trække ionisk væske ind, som om de var en svamp, der suger vand op.

I ioniske væsker, som er flydende salte ved stuetemperatur, der ofte bruges som opløsningsmidler i den kemiske industri, ioner er lagdelt i fuld overensstemmelse med det vekslende positivt-negative mønster af Coulombisk orden. Men da den ioniske væske trak ind i kulstofnanoporerne, tvang den ionerne til at stille sig op i enkelt- og dobbeltfilede linjer. Og, som en flok folkeskoleelever, der løber efter bussen, de endte ikke altid i kø ved siden af ​​deres sædvanlige årgange.

"I denne tilstand, den coulombiske orden af ​​væsken er brudt, " skrev forfatterne. "Ioner af samme ladning naboer hinanden på grund af en screening af deres elektrostatiske interaktioner af billedladninger induceret i porevæggene."

Holdet observerede denne forstyrrelse i den naturlige rækkefølge af ioner gennem røntgenspredning og modellerede processen for at forklare de eksperimentelle observationer. De rapporterede også, at den ikke-coulombiske bestilling blev mere udtalt, når en elektrisk ladning blev påført kulstofmaterialet.

"Vores resultater tyder på eksistensen af ​​en mekanisme i molekylær skala, der reducerer den coulombiske frastødningsenergi mellem co-ioner, der kommer tættere på hinanden, " skrev de. Denne mekanisme, de teoretiserer, er knyttet til den ladning, der midlertidigt påføres kulstofporernes vægge. Denne "billedladning, " de skriver, opvejer den naturlige elektrostatiske frastødning af ioner med samme ladning, for at tillade kanalerne at fyldes med samme ladede ioner opstillet ved siden af ​​hinanden.

Gogotsi foreslår, at denne opdagelse kan gøre det mere muligt at bruge ioniske væsker i batterier og andre energilagringsenheder, som er blevet undersøgt som en metode til at gøre batterier mere sikre, men som endnu ikke har fået fat, fordi det begrænser deres ydeevne.

"Vi kan få sikrere batterier og superkondensatorer, når vi bruger ioniske flydende elektrolytter, fordi de ikke er brændbare som den elektrolytopløsning, der i øjeblikket bruges i disse enheder, " sagde Gogotsi. "Også, da der ikke er noget opløsningsmiddel, hele volumen er optaget af ioner, og vi kan muligvis lagre mere energi sammenlignet med konventionelle elektrolytter, der bruger organiske opløsningsmidler."

Han ser også på denne opdagelse som en, der kan have en betydelig indflydelse på fremstødet for vandafsaltningsteknologi. Membraner, der i øjeblikket udvikles til at omdanne saltvand til drikkevand, kunne forbedres med denne viden om ionadfærd i subnanometer-porer.