Forskere observerer saltopløsning på atomniveau

Et forskerhold, tilknyttet UNIST, har opnået en banebrydende bedrift ved at observere opløsningen af ​​salt i vand på atomniveau og eksperimentelt afdække det underliggende princip.

Ledet af professor Hyung-Joon Shin og hans forskere fra Institut for Materialevidenskab og Engineering ved UNIST introducerede holdet den innovative "single ion control technology." Denne banebrydende tilgang muliggør præcis manipulation af individuelle vandmolekyler for selektivt at udvinde specifikke ioner fra salt.

Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Communications den 16. marts 2024.

Salt, sammensat af robuste ionbindinger mellem natriumkationer (Na ⁺ ) og chloranioner (Cl ^- ), gennemgår en transformativ proces, når den nedsænkes i vand. Samspillet mellem de positive og negative polariteter af vandmolekyler forstyrrer bindingen mellem natrium- og klorionerne, hvilket fører til deres adskillelse og dannelsen af ​​saltvand.

Selvom princippet om saltopløsning i vand kan virke ligetil, har tidligere undersøgelser overvejende udforsket dette fænomen teoretisk. Evnen til eksperimentelt at bekræfte, hvilke ioner der først opløses i vand og belyse den mekanisme, hvorved vandmolekyler svækker saltets ionbindinger, var indtil nu forblevet uhåndgribelig. Professor Shin bemærkede:"Udfordringen lå i den indviklede natur at studere og kontrollere individuelle ioner midt i den dynamiske bevægelse af opløste ioner i vand."

I et omhyggeligt kontrolleret eksperiment udført under kryogene og ultrahøjvakuumforhold ved -268,8°C placerede forskerholdet et vandmolekyle på en tynd saltmembran bestående af to til tre atomlag. Ved at bruge et scanning tunneling mikroskop (STM), der er i stand til at måle på atomare skala, observerede holdet en minuts ændring i højden på 10 picometers (pm), da vandmolekyler blev manøvreret vandret hen over saltmembranen. Denne observation blev tilskrevet den stærke interaktion mellem chloranioner og vandmolekyler.

Ved strategisk at flytte vandmolekyler langs saltfilmen med varierende atomtykkelse inducerede forskerne med succes forsvinden af ​​en chloranion fra dens vej. Polariteten af ​​vandmolekyler spillede en afgørende rolle i at bryde saltets ionbinding, hvilket fik chloranionen til at dukke frem foran natriumkationen.

Holdet fremhævede yderligere, at polarisationshastigheden af ​​chloranioner, som er 20 gange mere udtalt end natriumkationer, gør dem meget følsomme over for eksterne elektriske ændringer induceret af vandmolekyler. Denne øgede reaktionsevne var især tydelig i områder, hvor atomer manglede tilstrækkelig binding til det omgivende miljø.

Huijun Han (Combined MS/Ph.D. Program of Materials Science and Engineering, UNIST), hovedforfatteren af ​​papiret udtalte:"Mens den teoretiske forståelse af saltsmeltning i vand længe har været etableret, er vores succes med at udvinde enkelte ioner gennem præcis vandmolekylekontrol markerer et betydeligt eksperimentelt gennembrud."

"Ioner spiller en afgørende rolle i at ændre ydeevnen af ​​batterier og halvledermaterialer," understregede professor Shin. "Vi forestiller os at udnytte single-ion-kontrolteknologien til at fremme grundlæggende teknologier relateret til ionfunktioner."

Flere oplysninger: Huijun Han et al., Kontrolleret opløsning af en enkelt ion fra en saltgrænseflade, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46704-y

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Ulsan National Institute of Science and Technology