Styring af iontransport til energi, miljø

Forståelse og styring af iontransport i porøse materialer og ved hydrofobe grænseflader er afgørende for en lang række energi- og miljøteknologier, lige fra ionselektive membraner, lægemiddellevering og biosensing til ionbatterier og superkondensatorer.

Imidlertid, en detaljeret forståelse af nanoskala transport er stadig i sin vorden. For eksempel, nanoskalatransport er ofte blevet beskrevet af forenklede kontinuummodeller, der er afhængige af en punktladningsbeskrivelse for ioner og et homogent dielektrisk medium for opløsningsmidlet, som ikke differentierer ioner med samme valens.

I en nylig undersøgelse, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere, i samarbejde med University of California, Irvine (UCI), viste, at iontransport nær en hydrofob grænseflade ikke kun afhænger af påført spænding, men på typen af ​​ion. Holdet fandt ud af, at ionstrømme gennem enkelt siliciumnitrid-nanoporer, der indeholder en hydrofob-hydrofil forbindelse, kan være meget afhængig af størrelsen og hydreringsstyrken af ​​de solvatiserede ioner.

"Vores molekylær dynamik simuleringer viste, at de store anioner, såsom brom og jod, er tilbøjelige til at migrere fra den vandige opløsning til grænsefladen, fører til anionakkumulering, der er ansvarlig for porebefugtning og forbedrede ionstrømme, " sagde Fikret Aydin, en postdoc i Quantum Simulations Group i LLNL's Materials Science Division, og en teori-leder af et papir, der vises i ACS Nano .

Zuzanna Siwy, en UCI-professor i Institut for Fysik og Astronomi og en medforfatter af papiret, sagde undersøgelsen er af stor interesse i at forberede ion-responsive systemer baseret på hydrofobe porer. "Man kan også forestille sig, at det skulle være muligt at fremstille en ventillignende membran, som bliver åben for ionisk og molekylær transport, når en tærskelspænding eller/og gating-ion tilføjes, " hun sagde.

Anh Pham, en LLNL-materialeforsker i Quantum Simulations Group og en co-lead-forfatter af papiret tilføjede:"Resultaterne giver en grundlæggende forståelse af ionhydratiseringens rolle på egenskaberne af faste/væske-grænseflader, hvilket er vigtigt for at designe nanoporøse systemer, der er selektive over for ioner med samme ladning, såvel som til realisering af ion-induceret befugtning i hydrofobe porer."