Resulta que cuando tienen prisa y el espacio es limitado, iones, como personas, encontrará una manera de abarrotarse, incluso si eso significa desafiar las normas de la naturaleza. Investigación publicada recientemente por un equipo internacional de científicos, incluido Yury Gogotsi de la Universidad de Drexel, Doctor, muestra que las partículas cargadas en realidad renunciarán a su comportamiento de "atracción de opuestos", llamado orden Coulombic, cuando está confinado en los diminutos poros de un nanomaterial. Este descubrimiento podría ser un desarrollo fundamental para el almacenamiento de energía, tecnologías de tratamiento de agua y producción de energía alternativa, que involucran iones empaquetados en materiales nanoporosos.

En su papel que fue publicado recientemente en la revista Materiales de la naturaleza , Los investigadores explican cómo el orden de Coulombic en las sales líquidas comienza a descomponerse cuando los iones están confinados en espacios pequeños, específicamente poros de carbono de menos de un nanómetro de diámetro. Y cuanto más estrecho es el poro, cuanto menos se adhieran los iones al orden de Coulombic.

"Esta es la primera vez que se ha demostrado de manera convincente la ruptura del orden de Coulombic en los poros subnanométricos, "dijo Gogotsi, un autor del artículo, quien es la Universidad Distinguida y profesora de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel. "La ruptura de los principios de simetría, como el pedido de Coulombic, juega un papel fundamental en la naturaleza. Pero muchos de estos procesos ocurren sin que los comprendamos y conozcamos sus mecanismos. La ciencia puede revelar esos procesos ocultos. Y si los entendemos, eventualmente podemos desarrollar una mejor tecnología trabajando a las mismas escalas nanométricas y subnanométricas que la naturaleza ".

Para hacer su descubrimiento, el equipo, que incluye investigadores de la Universidad de Shinshu en Japón; Universidad de Loughborough en el Reino Unido; La Universidad de Adelaide en Australia; y la Universidad de la Sorbona, la Red francesa de investigación sobre almacenamiento de energía electroquímica, y la Universidad Paul Sabatier en Francia, crearon dos conjuntos de nanomateriales de carbono. Uno tenía poros de al menos un nanómetro de diámetro y otro con poros de menos de un nanómetro. Luego usaron los materiales para extraer líquido iónico como si fuera una esponja absorbiendo agua.

En líquidos iónicos, que son sales líquidas a temperatura ambiente que se utilizan a menudo como disolventes en la industria química, Los iones se colocan en capas en total conformidad con el patrón alterno positivo-negativo del orden de Coulombic. Pero a medida que el líquido iónico se introdujo en los nanoporos de carbono, obligó a los iones a alinearse en líneas de una o dos filas. Y, como una bandada de niños de primaria corriendo hacia el autobús, no siempre terminaban en fila junto a sus cohortes habituales.

"En este estado, el orden Coulombic del líquido se rompe, "escribieron los autores." Iones de la misma carga se acercan entre sí debido a una pantalla de sus interacciones electrostáticas por las cargas de imagen inducidas en las paredes de los poros ".

El equipo observó esta alteración en el orden natural de los iones a través de la dispersión de rayos X y modeló el proceso para explicar las observaciones experimentales. También informaron que el orden no Coulombic se hizo más pronunciado cuando se aplicó una carga eléctrica al material de carbono.

"Nuestros resultados sugieren la existencia de un mecanismo a escala molecular que reduce la energía de repulsión de Coulombic entre los co-iones que se acercan entre sí, "escribieron. Este mecanismo, ellos teorizan, está relacionado con la carga impuesta temporalmente en las paredes de los poros de carbono. Este "cargo de imagen, " escriben, compensa la repulsión electrostática natural de iones de la misma carga, para permitir que los canales se llenen con iones con la misma carga alineados uno al lado del otro.

Gogotsi sugiere que este descubrimiento podría hacer más factible el uso de líquidos iónicos en baterías y otros dispositivos de almacenamiento de energía. que se ha examinado como un método para hacer que las baterías sean más seguras, pero aún no se ha puesto al día porque limita su rendimiento.

"Podemos obtener baterías y supercondensadores más seguros cuando utilizamos electrolitos líquidos iónicos porque no son inflamables como la solución de electrolitos que se usa actualmente en estos dispositivos". "Dijo Gogotsi." Además, ya que no hay solvente, todo el volumen está ocupado por iones y es posible que podamos almacenar más energía en comparación con los electrolitos convencionales que utilizan disolventes orgánicos ".

También está considerando este descubrimiento como uno que podría tener un impacto significativo en el impulso de la tecnología de desalinización de agua. Las membranas que se están desarrollando actualmente para convertir el agua salada en agua potable podrían mejorarse con este conocimiento sobre el comportamiento de los iones dentro de los poros subnanométricos.