Los iones hidratados se vuelven orientables y ¿qué nos puede aportar?

Recientemente, los científicos chinos han liderado el mundo, y por primera vez obtuvieron imágenes de resolución a escala atómica de iones de sodio hidratados, y descubrieron un efecto de número mágico del transporte de iones hidratados. Esta investigación abre una nueva puerta para la investigación de temas candentes como la investigación y el desarrollo de baterías de iones, la desalinización de agua de mar y los canales de iones biológicos.

Los resultados de la investigación se publicaron el 14 de mayo en la revista académica más importante del mundo, Nature. Los resultados fueron completados por el Grupo Jiang Ying del Centro de Ciencia de Materiales Cuánticos de la Universidad de Pekín, el grupo de investigación de Limei Xu, el grupo de investigación de Yiqin Gao de la Escuela de Química e Ingeniería Molecular de la Universidad de Pekín y el Grupo Enge Wang de la Academia China. de Ciencias / Universidad de Pekín.

Descubre la capa más misteriosa de moléculas de agua.

El agua es una de las más abundantes, familiares y menos comprendidas de la naturaleza. ¿Por qué el agua es tan misteriosa? "Esto está relacionado con su composición". Wang Enge, académico de la Academia de Ciencias de China, dijo a los periodistas que debido a que los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua son los átomos más ligeros de la tabla periódica, no se pueden aplicar directamente. El modelo de partículas clásico es estudiarlo, pero necesita simular la "cuantificación completa", es decir, su núcleo y electrón deben considerarse cuánticos, lo que aumenta enormemente la dificultad de la investigación.

"La interacción del agua con otras sustancias también es un proceso muy complicado". Ying Jiang, profesor del Centro de Ciencia de Materiales Cuánticos de la Facultad de Física de la Universidad de Pekín, uno de los autores del artículo, dijo que el más común es el proceso de hidratación de los iones. Cuando la sal se disuelve en agua, los iones que se forman después de la disolución no están libres en el agua, sino que se combinan con moléculas de agua para formar un "grupo" llamado ión hidrato. "Se puede decir que la hidratación de iones es ubicua y juega un papel importante en muchos procesos físicos, químicos y biológicos, como la disolución de sales, reacciones electroquímicas, transferencia de iones en organismos vivos, contaminación del aire, desalinización de agua de mar, corrosión, etc."

¿Qué tipo de microestructura tiene el hidrato de iones y cómo se mueve? Estos temas han sido el foco del debate académico. Se entiende que ya a fines del siglo XIX, las personas se dieron cuenta de la existencia de la hidratación de iones y comenzaron una investigación sistemática, pero después de más de cien años de esfuerzos, la cantidad de conchas hidratadas de iones, la cantidad y la estructura del agua. moléculas en cada capa de hidratación Los tipos, los efectos de los iones hidratados sobre la estructura del enlace agua-hidrógeno y los factores microscópicos que determinan las propiedades de transporte de los iones hidratados no han sido concluyentes.

Al salir de la niebla, los humanos ven imágenes claras de hidratos de iones por primera vez

En los últimos años, Enge Wang y Ying Jiang han colaborado con colegas y estudiantes para desarrollar tecnología de sonda de escaneo de alta resolución a nivel atómico y un método de cálculo de cuantificación completa para sistemas de elementos ligeros, que ha acumulado una rica base experimental y teórica para la investigación.

Para realizar imágenes de alta resolución de iones hidratados a escala atómica, primero es necesario "separar" los iones hidratados individuales.

Esto es algo muy difícil. Para resolver este problema, los investigadores han probado y explorado continuamente, basándose en la microscopía de túnel de barrido, desarrollaron una tecnología de manipulación de iones única para preparar un solo ión hidratado, utilizando una punta de metal muy afilada en la película de cloruro de sodio La superficie se mueve, dibuja un ion de sodio simple, y luego "arrastra" las moléculas de agua para unirse a él. Esto da como resultado un único "ión de sodio hidratado" que contiene un número diferente de moléculas de agua.

Después del experimento para preparar un solo grupo de hidratos de iones, el siguiente desafío es aclarar su configuración de adsorción geométrica a través de imágenes de alta resolución.

En respuesta a este problema, los investigadores desarrollaron una técnica de imágenes AFM no invasiva basada en la modificación de la punta de monóxido de carbono que puede depender de fuerzas electrostáticas de alto orden extremadamente débiles para escanear la imagen. Aplicaron esta técnica al sistema de hidratos de iones, obtuvieron imágenes de resolución atómica por primera vez y determinaron con éxito su configuración de adsorción atómica.

Esta es la primera vez en el mundo que se obtienen imágenes de hidratos de iones a nivel atómico en el espacio real. Además, esta imagen es bastante clara: no solo se puede determinar con precisión la posición de adsorción de las moléculas de agua y los iones, sino que incluso se pueden identificar directamente pequeños cambios en la orientación de las moléculas de agua. Se puede decir que la resolución espacial es casi el límite del átomo.

Descubra la maravillosa dinámica del "efecto número mágico"

Después de obtener imágenes microscópicas de hidratos de iones, los investigadores estudiaron más a fondo sus propiedades de transporte cinético y encontraron un efecto interesante: los iones de sodio que contienen un número específico de moléculas de agua cuando se mueven sobre la superficie de los cristales de cloruro de sodio. Los hidratos parecen sufrir un "trastorno de hiperactividad", una tasa de difusión anormalmente alta que es de 10 a 100 veces más rápida que otros hidratos. Los investigadores se refieren a esta característica como el "efecto de número mágico" de la dinámica.

¿Por qué es este extraño fenómeno? A través de cálculos de simulación, los investigadores encontraron que este efecto de número mágico se deriva del grado de coincidencia de simetría entre el hidrato de iones y la red de la superficie. En pocas palabras, los hidratos de iones de sodio que contienen 1, 2, 4 y 5 moléculas de agua se "adhieren" fácilmente a la superficie de los cristales de cloruro de sodio, mientras que los hidratos de iones que contienen 3 moléculas de agua, debido a la simetría y al sustrato. No coincide, pero es difícil estar "atascado", por lo que se "deslizará" muy rápidamente en su superficie.

Por primera vez, este trabajo estableció una correlación directa entre la microestructura y las propiedades de transporte de los hidratos de iones, refrescando la comprensión tradicional del transporte de iones en sistemas confinados.

¿Los iones hidratados se vuelven orientables y pueden aportarnos algo?

Se entiende que este trabajo de investigación ha sido bien recibido y apreciado por los revisores en tres campos diferentes de la naturaleza. Creen que el trabajo "conducirá inmediatamente a un interés generalizado en el campo de la teoría y la ciencia de superficie aplicada", "proporcionando nuevas formas de transportar iones hidratados en la superficie de control a nanoescala y que se puede extender a otros sistemas de hidratación".

El académico Enge Wang dijo: "Los resultados de este estudio muestran que podemos lograr el propósito de mejorar o debilitar selectivamente la capacidad de transporte de ciertos iones cambiando la simetría y la periodicidad de la superficie del material. Esto tiene importantes implicaciones para muchas aplicaciones relacionadas. . "

Por ejemplo, se puede desarrollar un nuevo tipo de batería de iones. Jiang Ying dijo a los periodistas que la batería de iones de litio que usamos hoy en día generalmente está compuesta de polímeros macromoleculares y, en base a esta última investigación, es posible desarrollar un nuevo tipo de batería basada en iones de litio hidratados. "Esta batería aumentará enormemente la tasa de transferencia de iones, acortando así el tiempo de carga y aumentando la potencia de la batería, haciéndola más ecológica y costosa".

Además, este logro ha abierto una nueva vía para la investigación en áreas de frontera como la anticorrosión, la reacción electroquímica, la desalación de agua de mar y el canal de iones biológicos. Al mismo tiempo, se espera que la tecnología experimental de alta precisión desarrollada por este trabajo se aplique a sistemas de hidratos más extensos en el futuro.

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