水和したイオンは操縦可能になり、それは私たちに何をもたらすことができますか？

最近、中国の科学者が世界をリードし、初めて水和ナトリウムイオンの原子スケールの解像度画像を取得し、水和イオン輸送のマジックナンバー効果を発見しました。この研究は、イオン電池の研究開発、海水淡水化、生物学的イオンチャネルなどのホットトピックの研究への新しい扉を開きます。

研究結果は5月14日に世界のトップ学術雑誌Natureに掲載されました。結果は、北京大学量子材料科学センターの江英グループ、李美徐の研究グループ、北京大学の化学分子工学部のYiqin Gaoの研究グループ、および中国科学院のEngeWangグループによって完成されました。科学/北京大学の。

水分子の最も神秘的な層を明らかにする

水は、自然界で最も豊富で、最も身近で、最も理解されていないものの1つです。なぜ水はそんなに神秘的ですか？ 「これはその構成に関連しています。」中国科学院の学者であるWangEnge氏は、水分子の水素原子は周期表で最も軽い原子であるため、直接適用することはできないと記者団に語った。古典的な粒子モデルはそれを研究することですが、「完全量子化」をシミュレートする必要があります。つまり、その原子核と電子を量子と見なす必要があるため、研究が大幅に困難になります。

「水と他の物質との相互作用も非常に複雑なプロセスです。」この記事の著者の一人である北京大学物理学部の量子材料科学センターの教授であるYingJiangは、最も一般的なのはイオンの水和プロセスであると述べました。塩が水に溶解すると、溶解後に形成されたイオンは水に遊離しませんが、水分子と結合してイオン水和物と呼ばれる「クラスター」を形成します。 「イオンの水和は遍在していると言え、塩の溶解、電気化学反応、生物のイオン移動、大気汚染、海水淡水化、腐食など、多くの物理的、化学的、生物学的プロセスで重要な役割を果たしています。」

イオンハイドレートにはどのような微細構造があり、どのように動くのですか？これらの問題は、学術的な議論の焦点となっています。早くも19世紀の終わりに、人々はイオンの水和の存在に気づき、体系的な研究を始めたと理解されていますが、100年以上の努力の結果、イオンの水和した殻の数、水の数と構造各水和層の分子タイプ、水-水素結合構造に対する水和イオンの影響、および水和イオンの輸送特性を決定する微視的要因は決定的ではありませんでした。

霧を漂わせて、人間は初めてイオンハイドレートの鮮明な画像を見る

近年、EngeWangとYingJiangは同僚や学生と協力して、原子レベルでの高解像度走査型プローブ技術と軽元素システムの完全量子化計算方法を開発し、研究のための豊富な実験的および理論的基盤を蓄積してきました。

水和イオンの高解像度イメージングを原子スケールで実行するには、最初に個々の水和イオンを「分離」する必要があります。

これは非常に難しいことです。この問題を解決するために、研究者たちは走査型トンネル顕微鏡に基づいて、塩化ナトリウム膜の非常に鋭い金属チップを使用して単一のイオン水和物を調製する独自のイオン操作技術を開発し、継続的に試み、調査してきました。単一のナトリウムイオン、次に水分子を「引きずって」それに結合します。これにより、異なる数の水分子を含む単一の「水和ナトリウムイオン」が生成されます。

単一のイオンハイドレートクラスターを準備する実験の後、次の課題は、高解像度イメージングを通じてその幾何学的吸着構成を明らかにすることです。

この問題に対応して、研究者らは、画像をスキャンするために非常に弱い高次静電力に依存できる一酸化炭素チップ修飾に基づく非侵襲的AFMイメージング技術を開発しました。彼らはこの手法をイオンハイドレートシステムに適用し、初めて原子分解能イメージングを取得し、その原子吸光構成を決定することに成功しました。

実空間でイオンハイドレートの原子レベルの画像を取得するのは世界で初めてです。さらに、この画像は非常に明確です。水分子とイオンの吸着位置を正確に特定できるだけでなく、水分子の配向のわずかな変化でも直接特定できます。空間分解能は原子の限界に近いと言えます。

「マジックナンバー効果」の素晴らしいダイナミクスを発見する

イオン水和物の顕微鏡画像を取得した後、研究者はさらにそれらの動的輸送特性を研究し、興味深い効果を発見しました：塩化ナトリウム結晶の表面を移動するときに特定の数の水分子を含むナトリウムイオン。水和物は「多動性障害」に苦しんでいるようです-他の水和物より10-100倍速い異常に高い拡散速度。研究者は、この機能をダイナミクスの「マジックナンバー効果」と呼んでいます。

なぜこの奇妙な現象なのですか？シミュレーション計算を通じて、研究者たちは、このマジックナンバー効果がイオン水和物と表面格子の間の対称性の一致の程度に由来することを発見しました。簡単に言えば、1、2、4、5個の水分子を含むナトリウムイオン水和物は塩化ナトリウム結晶の表面に簡単に「詰まり」ますが、3個の水分子を含むイオン水和物は対称性と基質のために一致しませんが、 「スタック」するのは難しいので、表面で非常に速く「スライド」します。

この研究により、イオン水和物の微細構造と輸送特性の間に直接的な相関関係が初めて確立され、閉じ込められたシステムにおけるイオン輸送の従来の理解が一新されました。

水和したイオンは操縦可能になり、私たちに何かをもたらすことができますか？

この研究は、自然の3つの異なる分野の査読者から高く評価されていると理解されています。彼らは、この研究が「理論と応用表面科学の分野への幅広い関心にすぐにつながる」、「ナノスケール制御の表面で水和イオンを輸送する新しい方法を提供し、他の水和システムに拡張できる」と信じています。

学者のEngeWang氏は、「この研究の結果は、材料の表面の対称性と周期性を変えることで、特定のイオンの輸送能力を選択的に強化または弱めるという目的を達成できることを示しています。これは、多くの関連アプリケーションにとって重要な意味を持ちます。 。」

たとえば、新しいタイプのイオン電池を開発することができます。 Jiang Ying氏は記者団に対し、現在使用しているリチウムイオン電池は一般に高分子ポリマーで構成されており、この最新の研究に基づいて、水和リチウムイオンをベースにした新しいタイプの電池を開発できると語った。 「このバッテリーは、イオン移動速度を大幅に向上させるため、充電時間が短縮され、バッテリーの電力が増加し、環境に優しく、コストが高くなります。」

さらに、この成果は、防食、電気化学反応、海水淡水化、生物学的イオンチャネルなどのフロンティア分野での研究の新しい方法を切り開きました。同時に、この研究で開発された高精度の実験技術は、将来、より広範なハイドレートシステムに適用されることが期待されています。

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