Líquidos iónicos a temperatura ambiente (IL), una clase especial de sales fundidas, prometen un rendimiento electroquímico mucho mayor en comparación con las soluciones acuosas convencionales debido a un conjunto de propiedades novedosas y ajustables. Durante las últimas dos décadas, Los IL se han explorado como un medio para mejorar una gama de tecnologías diferentes, desde el almacenamiento y conversión de energía hasta la catálisis y la galvanoplastia de metales y semiconductores.

Un excelente ejemplo de dónde los IL pueden dejar su huella son los supercondensadores basados ​​en carbono que almacenan energía eléctrica en la interfaz nanoporosa electrodo-electrolito. La forma en que los IL se ensamblan en esta interfaz determina la cantidad de energía almacenada y las tasas de carga y descarga de los dispositivos. Sin embargo, Los conocimientos estructurales integrales han evolucionado lentamente porque el comportamiento de los electrolitos en las interfaces y bajo confinamiento es difícil de resolver. Esto es especialmente cierto para los IL, que exhiben voluminosos, configuraciones moleculares flexibles y muy variables.

En una investigación publicada recientemente en The Revista de letras de química física , Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livemore (LLNL) combinaron experimentos de rayos X con simulaciones de alta fidelidad para investigar una familia de IL ampliamente utilizada confinada en nanoporos de carbono que normalmente se utilizan en supercondensadores. El trabajo representa el primer estudio que combina la dinámica molecular de los primeros principios y la dispersión de rayos X para analizar las IL confinadas espacialmente. permitiendo nuevos conocimientos sobre propiedades exóticas que solo ocurren dentro de estos espacios excepcionalmente pequeños.

El equipo detectó experimentalmente una alteración extrema en la estructura de las IL, que fue predicho y explicado de forma única por sus simulaciones. El equipo también demostró cómo las desviaciones del comportamiento típico de los líquidos dependían en gran medida de los tamaños relativos de los iones y los poros. Finalmente, a pesar de las desviaciones significativas en la estructura bajo confinamiento, el estudio indica que la estabilidad electroquímica superior de las IL permanece intacta, lo cual es importante para mantener el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía.

"El verdadero éxito es la integración entre simulaciones de mecánica cuántica, síntesis de nanomateriales a medida y caracterización avanzada de rayos X. Esta poderosa combinación de técnicas ofrece una comprensión mucho más completa de la estructura de las IL en carbonos porosos extremadamente estrechos, "dijo Tuan Anh Pham, Científico de LLNL en el Grupo de Simulaciones Cuánticas y autor principal del artículo. "El estudio representa un esfuerzo continuo en LLNL para establecer una colaboración interdisciplinaria en el área de materiales energéticos, como el Laboratorio de Aplicaciones Energéticas para el Futuro ".

Investigadores y coautores del LLNL del artículo, Colin Loeb y Patrick Campbell, aprovechó el conocimiento especial del laboratorio para ajustar sintéticamente los tamaños de los poros dentro de los aerogeles de carbono nanoporosos de gran superficie. Esta nueva capacidad de material permitió al equipo sondear con rayos X de sincrotrón diferentes estados confinados de los líquidos iónicos y reconstruir una imagen más completa de los efectos del confinamiento en la estructura.

Por este trabajo, LLNL forjó una nueva colaboración con la Universidad de Bayreuth en Alemania para capitalizar la experiencia clave en la caracterización de estructuras de mesoescala.

"La ciencia de la interfaz es un área muy interesante, donde literalmente solo estamos rascando la superficie de una comprensión atomista de lo que realmente está sucediendo, "dijo Mirijam Zobel, miembro de la facultad del Departamento de Química de la Universidad de Bayreuth y coautor del estudio. "Es una experiencia gratificante formar parte de este equipo internacional y ampliar nuestro conocimiento de la reestructuración interfacial de líquidos complejos".

"Me encanta cómo las diferentes facetas de nuestro equipo empujaron los límites de lo que podrían usarse técnica o científicamente para poder integrarse de verdad. "dijo Eric Meshot, Científico del LLNL e investigador principal del proyecto. "Pudimos descubrir algunos conocimientos fundamentales clave que tienen importantes implicaciones prácticas para los dispositivos de almacenamiento de energía. Ahora estamos en una posición única para pensar más en cómo estos conocimientos pueden beneficiar a las aplicaciones reales".