Het blijkt dat wanneer ze haast hebben en de ruimte beperkt is, ionen, zoals mensen, zal een manier vinden om erin te proppen - zelfs als dat betekent dat we de normen van de natuur moeten trotseren. Recent gepubliceerd onderzoek van een internationaal team van wetenschappers, waaronder Yury Gogotsi van de Drexel University, doctoraat, laat zien dat de geladen deeltjes feitelijk hun "tegengestelden aantrekken"-gedrag zullen opgeven, genaamd Coulomb bestellen, wanneer opgesloten in de kleine poriën van een nanomateriaal. Deze ontdekking zou een cruciale ontwikkeling kunnen zijn voor energieopslag, waterbehandeling en alternatieve energieproductietechnologieën, die allemaal betrekking hebben op het inpakken van ionen in nanoporeuze materialen.

In hun krant die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuurmaterialen , de onderzoekers leggen uit hoe de Coulomb-ordening in vloeibare zouten begint af te breken wanneer ionen worden opgesloten in kleine ruimtes - met name koolstofporiën met een diameter van minder dan een nanometer. En hoe smaller de porie, hoe minder de ionen zich aan de Coulomb-ordening hechten.

"Dit is de eerste keer dat het breken van de Coulomb-ordening in subnanometerporiën overtuigend is aangetoond, " zei Gogotsi, een auteur van het artikel, die de Distinguished University en Bach-professor is in Drexel's College of Engineering. "Het doorbreken van symmetrieprincipes, zoals Coulomb-ordening, speelt een essentiële rol in de natuur. Maar veel van deze processen vinden plaats zonder dat we ze begrijpen en hun mechanismen kennen. De wetenschap kan die verborgen processen onthullen. En als we ze begrijpen, we kunnen uiteindelijk betere technologie ontwikkelen door op dezelfde nanometer- en subnanometerschalen te werken als de natuur."

Om zijn ontdekking te doen, het team - inclusief onderzoekers van de Shinshu University in Japan; Loughborough University in het Verenigd Koninkrijk; De Universiteit van Adelaide in Australië; en de Sorbonne-universiteit, het Franse onderzoeksnetwerk voor elektrochemische energieopslag, en Paul Sabatier University in Frankrijk - hebben twee sets koolstofnanomaterialen gemaakt. Eén had poriën met een diameter van minstens een nanometer en één met poriën van minder dan een nanometer. Vervolgens gebruikten ze de materialen om ionische vloeistof op te zuigen alsof ze een spons waren die water opzuigt.

In ionische vloeistoffen, dit zijn vloeibare zouten op kamertemperatuur die vaak worden gebruikt als oplosmiddelen in de chemische industrie, ionen zijn gelaagd in volledige overeenstemming met het afwisselende positief-negatieve patroon van Coulomb-ordening. Maar toen de ionische vloeistof in de koolstofnanoporiën trok, dwong het de ionen om in lijnen met één en twee vijlen op één lijn te komen. En, als een zwerm basisschoolleerlingen die naar de bus rennen, ze eindigden niet altijd in de rij naast hun gebruikelijke cohorten.

"In deze staat, de Coulomb-ordening van de vloeistof is verbroken, " schreven de auteurs. "Ionen van dezelfde lading liggen naast elkaar vanwege een screening van hun elektrostatische interacties door de beeldladingen die in de poriewanden worden geïnduceerd."

Het team observeerde deze verstoring in de natuurlijke volgorde van ionen door middel van röntgenverstrooiing en modelleerde het proces om de experimentele waarnemingen te verklaren. Ze meldden ook dat de niet-Coulombic-ordening meer uitgesproken werd wanneer een elektrische lading op het koolstofmateriaal werd aangebracht.

"Onze resultaten suggereren het bestaan ​​van een mechanisme op moleculaire schaal dat de Coulomb-afstotingsenergie vermindert tussen co-ionen die dichter bij elkaar komen, schreven ze. Dit mechanisme, zij theoretiseren, is gekoppeld aan de tijdelijke lading die op de wanden van de koolstofporiën wordt uitgeoefend. Deze "beeldlading, " zij schrijven, compenseert de natuurlijke elektrostatische afstoting van ionen met dezelfde lading, om de kanalen te vullen met dezelfde geladen ionen die naast elkaar zijn opgesteld.

Gogotsi suggereert dat deze ontdekking het mogelijk maakt om ionische vloeistoffen in batterijen en andere energieopslagapparaten te gebruiken. die is onderzocht als een methode om batterijen veiliger te maken, maar nog steeds geen succes heeft omdat het hun prestaties beperkt.

"We kunnen veiligere batterijen en supercondensatoren krijgen bij het gebruik van ionische vloeibare elektrolyten omdat ze niet ontvlambaar zijn zoals de elektrolytoplossing die momenteel in deze apparaten wordt gebruikt, "Zei Gogotsi. "Ook, aangezien er geen oplosmiddel is, het hele volume wordt ingenomen door ionen en we kunnen mogelijk meer energie opslaan in vergelijking met conventionele elektrolyten die organische oplosmiddelen gebruiken."

Hij beschouwt deze ontdekking ook als een ontdekking die een aanzienlijke impact zou kunnen hebben op het streven naar technologie voor ontzilting van water. Membranen die momenteel worden ontwikkeld om zout water in drinkwater te veranderen, kunnen worden verbeterd met deze kennis over ionengedrag in subnanometerporiën.