水和イオンは、新しいイオン電池で不思議な性質を持っているか、現れることがわかっています

最近、中国の科学者は、水和ナトリウムイオンの最初の原子レベルの画像を取得することで世界をリードし、水和イオン輸送の錯覚効果を発見しました。この研究は、イオン電池の開発、海水淡水化、生物学的イオンチャネルなどのトピックを対象としています。

研究は新しい扉を開きました。

この研究は、5月14日に国際的なトップ学術雑誌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、江Xulimei、Gaoyi、北京大学化学分子工学部、およびWangengeによって完成されました。

水分子の最も神秘的な層を明らかにします。

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物質です。なぜ水はそんなに神秘的ですか？ 「これはその組成に関係している。この記事のニュースレターの著者の一人である中国科学院のWangenge学者は、水分子の水素原子は元素の周期表の中で最も軽い原子であるため、単純な古典的粒子モデルを使用して直接研究するのではなく、「完全に量子化された」シミュレーションを行う必要があります。つまり、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。この記事のニュースレターの著者の1人である北京大学物理学部量子材料科学センターのJiangying教授は、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、溶解したイオンは水中で遊離しませんが、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。「イオン水和は遍在していると言え、重要な役割を果たします。塩の溶解、電気化学反応、生体内のイオン移動、大気汚染、海水の脱塩、腐食など、多くの物理的、化学的、生物学的プロセス。 「」

イオンハイドレートにはどのような微細構造がありますか？それはどのように動くのですか？これらの問題は、常に学術界での議論の焦点となってきました。 19世紀の終わりごろ、人々はイオン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年以上の努力の末、水殻層の数など多くの問題があります。イオンの数、各水複合層の水分子の数と構成、水素結合の構造に対する水複合イオンの影響、および水複合イオンの輸送特性を決定する微視的要因。

イオンハイドレートの鮮明な画像が初めて見られます。

近年、WangengeとJiangying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な量子化計算方法を開発し、豊富な研究を蓄積してきました。実験的および理論的根拠。

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、最初に単一の水和イオンを「分離」する必要があります。

これはかなり難しい問題です。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く独自のイオン制御技術を開発し、塩化ナトリウム膜の表面に非常に鋭い金属針先を使用して単一のイオン水和物を開発しました。移動し、単一のナトリウムイオンを排出してから、水分子を「ドラッグ」して結合します。これにより、異なる数の水分子を含む単一の「水酸化ナトリウムイオン」が生成されます。

次の課題は、高解像度のイメージングによって単一のイオンハイドレートクラスターの形状を決定することです。

この問題に対応して、研究者らは一酸化炭素の針先修正に基づく非侵入型原子間力顕微鏡イメージング技術を開発しました。これは、イメージングをスキャンするために非常に弱い高レベルの静電力に依存する可能性があります。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、最初の原子レベルの分解能の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。

イオンハイドレートの原子レベルの画像が実空間で取得されたのはこれが初めてです。そして、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。空間分解能はほぼ原子の限界に達していると言えます。

素晴らしい動的な「ファントムナンバー効果」を発見する

イオン性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が動くとき、特定の数の水分子を含むナトリウムイオン水和物は「過活動障害」に苦しんでいるようです-他の水和物よりも10〜100倍速い異常に高い拡散能力。研究者たちは、この特性をダイナミクスの「ファントム数効果」と呼んでいます。

なぜそんな奇妙な現象があるのですか？シミュレーション計算を通じて、研究者らは、このファントム数効果が、表面格子とのイオン性水和物の対称性の一致度に由来することを発見しました。簡単に言うと、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が一致しないため「詰まり」にくいです。基板。そのため、表面が非常に速く「スライド」します。

この作業により、イオン性水和物の微視的構造と輸送特性の直接的な相関関係が初めて確立され、限られたシステムでのイオン輸送の従来の理解が一新されました。

水和イオンは扱いやすくなります。彼らは私たちに何をもたらすことができますか？

この研究は、Nature誌の3つの異なる分野の査読者から賞賛され評価されていると理解されています。彼らは、この研究が「理論的および応用表面科学の分野ですぐに幅広い関心を引き付け」、「ナノスケールで表面上の水和イオンの輸送を制御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。

学者のワンゲンゲ氏は、「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増加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潜在的重要性を持っています。田畑。 "

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。 Jiangying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通常高分子ポリマーで構成されており、この新しい研究に基づいて、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、充電時間を短縮し、バッテリーの電力を増加させます。より環境に優しく、コストを大幅に削減します。」

さらに、この結果は、腐食防止、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も切り開いています。同時に、この研究で開発された高精度の実験技術は、今後ますます広範な水和物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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