Die hydratisierten Ionen werden steuerbar und was kann es uns bringen?

Vor kurzem haben chinesische Wissenschaftler die Welt angeführt und zum ersten Mal Bilder mit atomarer Auflösung von hydratisierten Natriumionen erhalten und einen magischen Zahleneffekt des Transports hydratisierter Ionen entdeckt. Diese Forschung öffnet eine neue Tür für die Erforschung heißer Themen wie Forschung und Entwicklung von Ionenbatterien, Meerwasserentsalzung und biologische Ionenkanäle.

Die Forschungsergebnisse wurden am 14. Mai in der weltweit führenden Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Ergebnisse wurden von der Jiang Ying-Gruppe des Zentrums für Quantenmaterialwissenschaft der Universität Peking, der Forschungsgruppe von Limei Xu, der Forschungsgruppe von Yiqin Gao der Fakultät für Chemie und Molekulartechnik der Universität Peking und der Enge Wang-Gruppe der Chinesischen Akademie vervollständigt of Sciences / Peking Universität.

Entdecken Sie die mysteriöseste Schicht von Wassermolekülen

Wasser ist eines der am häufigsten vorkommenden, bekanntesten und am wenigsten verstandenen in der Natur. Warum ist Wasser so mysteriös? "Dies hängt mit seiner Zusammensetzung zusammen." Wang Enge, ein Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte Reportern, dass die Wasserstoffatome in Wassermolekülen die leichtesten Atome im Periodensystem sind und daher nicht direkt angewendet werden können. Das klassische Teilchenmodell soll es untersuchen, aber es muss eine "vollständige Quantisierung" simulieren, dh sein Kern und sein Elektron müssen als Quanten betrachtet werden, was die Schwierigkeit der Forschung erheblich erhöht.

"Die Wechselwirkung von Wasser mit anderen Substanzen ist ebenfalls ein sehr komplizierter Prozess." Ying Jiang, Professor am Zentrum für Quantenmaterialwissenschaft an der Fakultät für Physik der Universität Peking, einer der Autoren des Artikels, sagte, dass der Hydratationsprozess von Ionen am häufigsten vorkomme. Wenn das Salz in Wasser gelöst wird, sind die nach dem Auflösen gebildeten Ionen nicht frei in Wasser, sondern werden mit Wassermolekülen kombiniert, um einen "Cluster" zu bilden, der als Ionenhydrat bezeichnet wird. "Die Ionenhydratation ist allgegenwärtig und spielt eine wichtige Rolle bei vielen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen wie Salzauflösung, elektrochemischen Reaktionen, Ionentransfer in lebenden Organismen, Luftverschmutzung, Meerwasserentsalzung, Korrosion usw."

Welche Mikrostruktur hat Ionenhydrat und wie bewegt es sich? Diese Themen standen im Mittelpunkt der akademischen Debatte. Es versteht sich, dass die Menschen bereits Ende des 19. Jahrhunderts die Existenz der Ionenhydratation erkannten und mit systematischen Forschungen begannen, aber nach mehr als einhundert Jahren Bemühungen die Anzahl der hydratisierten Ionenschalen, die Anzahl und Struktur des Wassers Moleküle in jeder Hydratationsschicht Die Typen, die Auswirkungen hydratisierter Ionen auf die Wasser-Wasserstoff-Bindungsstruktur und die mikroskopischen Faktoren, die die Transporteigenschaften hydratisierter Ionen bestimmen, waren nicht schlüssig.

Beim Herausdriften des Nebels sehen Menschen zum ersten Mal klare Bilder von Ionenhydrat

In den letzten Jahren haben Enge Wang und Ying Jiang mit Kollegen und Studenten zusammengearbeitet, um eine hochauflösende Rastersonden-Technologie auf atomarer Ebene und eine Methode zur Berechnung der vollständigen Quantisierung für Lichtelementsysteme zu entwickeln, die umfangreiche experimentelle und theoretische Grundlagen für die Forschung gesammelt hat.

Um eine hochauflösende Abbildung von hydratisierten Ionen auf atomarer Ebene durchzuführen, müssen zunächst einzelne hydratisierte Ionen "getrennt" werden.

Das ist eine sehr schwierige Sache. Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher kontinuierlich versucht, auf der Grundlage der Rastertunnelmikroskopie eine einzigartige Ionenmanipulationstechnologie zur Herstellung eines einzelnen Ionenhydrats zu entwickeln - unter Verwendung einer sehr scharfen Metallspitze im Natriumchloridfilm. Die Oberfläche bewegt sich, zeichnet a einzelnes Natriumion und "schleppt" dann die Wassermoleküle, um sich daran zu binden. Dies führt zu einem einzelnen "hydratisierten Natriumion", das eine unterschiedliche Anzahl von Wassermolekülen enthält.

Nach dem Experiment zur Herstellung eines einzelnen Ionenhydratclusters besteht die nächste Herausforderung darin, seine geometrische Adsorptionskonfiguration durch hochauflösende Bildgebung zu klären.

Als Reaktion auf dieses Problem entwickelten die Forscher eine nicht-invasive AFM-Bildgebungstechnik, die auf einer Modifikation der Kohlenmonoxidspitze basiert und auf extrem schwachen elektrostatischen Kräften hoher Ordnung beruhen kann, um das Bild abzutasten. Sie wendeten diese Technik auf das Ionenhydratsystem an, erhielten zum ersten Mal eine Bildgebung mit atomarer Auflösung und bestimmten erfolgreich seine Atomadsorptionskonfiguration.

Dies ist das erste Mal auf der Welt, dass Bilder von Ionenhydraten auf atomarer Ebene im realen Raum aufgenommen werden. Darüber hinaus ist dieses Bild ziemlich klar: Nicht nur die Adsorptionsposition von Wassermolekülen und Ionen kann genau bestimmt werden, sondern auch kleine Änderungen in der Orientierung von Wassermolekülen können direkt identifiziert werden. Man kann sagen, dass die räumliche Auflösung fast die Grenze des Atoms ist.

Entdecken Sie die wunderbare Dynamik des "magischen Zahleneffekts"

Nachdem sie mikroskopische Bilder von Ionenhydraten erhalten hatten, untersuchten die Forscher ihre kinetischen Transporteigenschaften weiter und fanden einen interessanten Effekt: Natriumionen, die eine bestimmte Anzahl von Wassermolekülen enthalten, wenn sie sich auf der Oberfläche von Natriumchloridkristallen bewegen. Hydrate scheinen an einer "Hyperaktivitätsstörung" zu leiden - einer ungewöhnlich hohen Diffusionsrate, die 10-100-mal schneller ist als andere Hydrate. Forscher bezeichnen dieses Merkmal als "magischen Zahleneffekt" der Dynamik.

Warum ist dieses seltsame Phänomen? Durch Simulationsberechnungen fanden die Forscher heraus, dass dieser magische Zahleneffekt aus dem Grad der Symmetrieanpassung zwischen Ionenhydrat und Oberflächengitter abgeleitet wird. Einfach ausgedrückt, Natriumionenhydrate mit 1, 2, 4 und 5 Wassermolekülen können leicht an der Oberfläche von Natriumchloridkristallen "haften", während Ionenhydrate mit 3 Wassermolekülen aufgrund von Symmetrie und Substrat nicht übereinstimmen, aber Es ist schwer, "stecken zu bleiben", daher "rutscht" es sehr schnell auf seiner Oberfläche.

Zum ersten Mal wurde in dieser Arbeit eine direkte Korrelation zwischen der Mikrostruktur und den Transporteigenschaften von Ionenhydraten hergestellt, was das traditionelle Verständnis des Ionentransports in geschlossenen Systemen auffrischt.

Die hydratisierten Ionen werden steuerbar und können uns etwas bringen?

Es versteht sich, dass diese Forschungsarbeit von Gutachtern in drei verschiedenen Bereichen der Natur gut aufgenommen und geschätzt wurde. Sie glauben, dass die Arbeit "sofort zu einem breiten Interesse auf dem Gebiet der Theorie und der angewandten Oberflächenwissenschaft führen wird", "neue Wege für den Transport hydratisierter Ionen auf der Oberfläche der nanoskaligen Kontrolle bietet und auf andere Hydratationssysteme ausgedehnt werden kann".

Der Akademiker Enge Wang sagte: "Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass wir den Zweck erreichen können, die Transportkapazität bestimmter Ionen selektiv zu verbessern oder zu schwächen, indem wir die Symmetrie und Periodizität der Oberfläche des Materials ändern. Dies hat wichtige Auswirkungen auf viele verwandte Anwendungen . "

Beispielsweise kann ein neuer Typ einer Ionenbatterie entwickelt werden. Jiang Ying sagte Reportern, dass die Lithium-Ionen-Batterie, die wir heute verwenden, im Allgemeinen aus makromolekularen Polymeren besteht. Basierend auf diesen neuesten Forschungsergebnissen ist es möglich, einen neuen Batterietyp zu entwickeln, der auf hydratisierten Lithiumionen basiert. "Dieser Akku erhöht die Ionenübertragungsrate erheblich, verkürzt somit die Ladezeit und erhöht die Akkuleistung, wodurch er umweltfreundlicher und kostspieliger wird."

Darüber hinaus hat diese Errungenschaft einen neuen Weg für die Forschung in den Grenzgebieten wie Korrosionsschutz, elektrochemische Reaktion, Meerwasserentsalzung und biologischer Ionenkanal eröffnet. Gleichzeitig wird erwartet, dass die in dieser Arbeit entwickelte hochpräzise experimentelle Technologie in Zukunft auf umfangreichere Hydratsysteme angewendet wird.

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