Elektrospray van ionische vloeistoffen op kamertemperatuur (RTIL's), die oplosmiddelvrije elektrolyten zijn met gemakkelijk op maat gemaakte ionen, is in opkomst als een krachtig instrument op diverse gebieden. Vooral, elektrosprays van RTIL's die in de pure-ion-modus werken, hebben de laatste tijd veel aandacht getrokken. Echter, ondanks intensieve technologische ontwikkeling, deze elektrosprays hebben nog niet de robuustheid en effectiviteit bereikt die door hun toepassingen worden vereist. Mechanismen achter deze elektrosprays blijven slecht begrepen.

Dr. Jiang Xikai van het Institute of Mechanics van de Chinese Academy of Sciences (CAS) en zijn medewerkers bestudeerden de elektrospray van RTIL's. Door gebruik te maken van MD-simulaties, ze onderzochten elektrisch veld-aangedreven ionenemissie van het vrije oppervlak van een vlakke RTIL-film. Ze berekenden de ionemissiesnelheid als een functie van het elektrische veld loodrecht op het RTIL/vacuümoppervlak en ontdekten dat hun relatie overeenkomt met de voorspellingen van klassieke ionenverdampingstheorieën.

"Dit is de allereerste keer dat de klassieke schaalwet in ionenverdampingstheorieën wordt hersteld in simulaties, " zei dr. Jiang, corresponderende auteur van deze studie.

De samenstelling van geëmitteerde ionen omvat monomeren en dimeren. Het bleek dat het monomeer vóór emissie over twee barrières moet bewegen:één boven het RTIL/vacuümoppervlak, wat overeenkomt met klassieke ionenverdampingstheorieën; één onder het oppervlak vanwege de unieke structuur van RTIL/vacuümoppervlak zoals onthuld door simulaties. De fractie van dimeren bleek af te hangen van het externe veld en de ion-ion-interacties.

Om te begrijpen hoe verschillende soorten ontstaan, de onderzoekers voerden verder replica-uitwisselings-moleculaire dynamica-simulaties uit en identificeerden vier metastabiele toestanden van het emitterende ion in de buurt van de vloeibare film. Deze metastabiele toestanden hebben een sterke invloed op de samenstelling van de ionemissie.

Fundamentele inzichten die in dit onderzoek naar voren zijn gekomen, vormen de basis om theorieën over ionenverdamping te verbeteren en een rationele selectie van RTIL's te sturen om de gewenste ionemissie-eigenschappen te bereiken.