Se ha descubierto que los iones hidratados tienen propiedades misteriosas en las nuevas baterías de iones o aparecen

Recientemente, los científicos chinos lideraron el mundo en la obtención de la primera imagen a nivel de átomo de iones de sodio hidratados y descubrieron un efecto de ilusión de transporte de iones hidratados. Este estudio está dirigido a temas como el desarrollo de baterías de iones, la desalinización de agua de mar y los canales de iones biológicos.

La investigación ha abierto una nueva puerta.

Esta investigación fue publicada el 14 de mayo en la revista académica más importante internacional Nature. Los resultados fueron completados por el Centro de Ciencia de Materiales Cuánticos de la Universidad de Beijing, Jiang Xulimei, Gaoyi, la Escuela de Química e Ingeniería Molecular de la Universidad de Pekín y Wangenge.

Desenmascara la capa más misteriosa de moléculas de agua.

El agua es la sustancia más abundante, más familiar y menos comprendida de la naturaleza. ¿Por qué el agua es tan misteriosa? "Esto está relacionado con su composición. Uno de los autores del boletín del artículo, el académico Wangenge de la Academia de Ciencias de China, dijo a los reporteros que debido a que el átomo de hidrógeno en la molécula de agua es el átomo más liviano en la tabla periódica de elementos, puede no debe estudiarse directamente utilizando un modelo de partículas clásico más simple, sino que debe ser una simulación "completamente cuantificada", es decir, su núcleo y sus electrones deben considerarse cuántos, lo que aumenta enormemente la dificultad de la investigación.

"La interacción del agua con otras sustancias también es un proceso muy complejo. Uno de los autores del boletín del artículo, el profesor Jiangying del Centro de Ciencia de Materiales Cuánticos de la Facultad de Física de la Universidad de Pekín, dijo que el más común es el proceso de hidratación de iones . Cuando la sal se disuelve en agua, los iones disueltos no están libres en el agua, sino que se combinan con moléculas de agua para formar un "grupo" llamado ión hidratado. "Se puede decir que la hidratación iónica es ubicua y juega un papel importante en muchos procesos físicos, químicos y biológicos, como la disolución de la sal, las reacciones electroquímicas, la transferencia de iones en el cuerpo de la vida, la contaminación atmosférica, la desalinización del agua de mar y la corrosión. "

¿Qué tipo de microestructura tiene el hidrato de iones? ¿Cómo se mueve? Estos temas siempre han sido objeto de debate en la comunidad académica. Se entiende que ya a finales del siglo XIX, las personas se dieron cuenta de la existencia de la hidratación iónica y comenzaron una investigación sistemática, pero después de más de cien años de arduo trabajo, existen muchos problemas como la cantidad de capas de conchas de agua. de iones, el número y la configuración de las moléculas de agua en cada capa del complejo de agua, la influencia de los iones del complejo de agua en la estructura de los enlaces de hidrógeno y los factores microscópicos que determinan las propiedades de transporte de los iones del complejo de agua.

Se ven imágenes claras de hidratos de iones por primera vez.

En los últimos años, Wangenge y Jiangying han trabajado con colegas y estudiantes para desarrollar tecnología de sonda de exploración de alta resolución a nivel atómico y métodos de cálculo de cuantificación completa para sistemas de elementos ligeros, acumulando una rica investigación. Base experimental y teórica.

Para realizar imágenes de alta resolución de iones hidratados a escala atómica, primero es necesario "separar" un solo ión hidratado.

Este es un asunto bastante difícil. Para resolver este problema, los investigadores desarrollaron una técnica única de control de iones basada en un microscopio de túnel de barrido y desarrollaron un único ion hidrato, utilizando una punta de aguja de metal muy afilada en la superficie de la película de cloruro de sodio. Moviéndose, drene un solo ion de sodio y luego "arrastre" la molécula de agua para unirse a él. Esto da como resultado un único "ion hidrato de sodio" que contiene diferentes números de moléculas de agua.

El siguiente desafío es determinar la geometría de un único grupo de hidratos de iones mediante imágenes de alta resolución.

En respuesta a este problema, los investigadores desarrollaron una tecnología de imágenes de microscopio de fuerza atómica no intrusiva basada en la modificación de la punta de la aguja de monóxido de carbono, que puede depender de fuerzas electrostáticas de alto nivel extremadamente débiles para escanear imágenes. Aplicaron esta técnica al sistema de hidrato de iones, obtuvieron la primera imagen de resolución a nivel de átomo y determinaron con éxito su configuración de adsorción atómica.

Esta es la primera vez que se obtiene una imagen de hidratos de iones a nivel de átomo en el espacio real. Y 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 casi llega al límite de los átomos.

Descubra el maravilloso "efecto de número fantasma" cinético

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

¿Por qué existe un fenómeno tan extraño? A través de cálculos de simulación, los investigadores encontraron que este efecto de número fantasma se derivaba del grado de coincidencia de simetría de los hidratos iónicos con las celosías de la superficie. En términos simples, los hidratos de iones de sodio que contienen 1, 2, 4 y 5 moléculas de agua se "pegan" fácilmente en la superficie de los cristales de cloruro de sodio, mientras que los hidratos de iones que contienen 3 moléculas de agua son difíciles de "pegar" porque la simetría no coincide con la sustrato. Entonces se "deslizará" sobre su superficie muy rápidamente.

Este trabajo estableció la correlación directa entre la estructura microscópica y las propiedades de transporte de los hidratos iónicos por primera vez, refrescando la comprensión tradicional del transporte de iones en sistemas limitados.

Los iones hidratados se vuelven manejables. ¿Qué nos pueden traer?

Se entiende que este trabajo de investigación ha sido elogiado y apreciado por los revisores en tres campos diferentes de la revista Nature. Creen que este trabajo "atraerá inmediatamente un interés generalizado en el campo de la ciencia de superficie teórica y aplicada" y "proporcionará nuevas formas de controlar el transporte de iones hidratados en la superficie a nanoescala y se puede expandir a otros sistemas hidratados".

El académico Wangenge dijo: "Los resultados de este estudio muestran que podemos lograr el propósito de aumentar o debilitar selectivamente la capacidad de transporte de ciertos iones cambiando la simetría y la periodicidad de la superficie del material. Esto tiene una importancia potencial importante para muchas aplicaciones relacionadas campos. "

Por ejemplo, se puede desarrollar un nuevo tipo de batería de iones. Jiangying dijo a los periodistas que las baterías de iones de litio que usamos ahora normalmente consisten en polímeros macromoleculares y, según este nuevo estudio, será posible desarrollar una nueva batería basada en iones de litio hidratados. "Esta batería aumentará enormemente la tasa de transferencia de iones, lo que acortará el tiempo de carga y aumentará la potencia de la batería. Será más respetuosa con el medio ambiente y el coste se reducirá enormemente".

Además, este resultado también ha abierto una nueva vía para la investigación en áreas de frontera como la prevención de la corrosión, las reacciones electroquímicas, la desalación de agua de mar y los canales de iones biológicos. Al mismo tiempo, se espera que la tecnología experimental de alta precisión desarrollada por este trabajo se aplique a sistemas de materiales hidratados cada vez más extensos en el futuro.

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