Si scopre che quando hanno fretta e lo spazio è limitato, ioni, come le persone, troverà un modo per stiparsi, anche se ciò significa sfidare le norme della natura. Ricerca pubblicata di recente da un team internazionale di scienziati, tra cui Yury Gogotsi della Drexel University, dottorato di ricerca, mostra che le particelle cariche rinunceranno effettivamente al loro comportamento "opposti si attraggono", chiamato ordinamento coulombiano, quando confinato nei minuscoli pori di un nanomateriale. Questa scoperta potrebbe essere uno sviluppo fondamentale per lo stoccaggio di energia, tecnologie per il trattamento delle acque e la produzione di energia alternativa, che coinvolgono tutti gli ioni che si impaccano in materiali nanoporosi.

Nella loro carta, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materiali della natura , i ricercatori spiegano come l'ordinamento coulombiano nei sali liquidi inizia a rompersi quando gli ioni sono confinati in piccoli spazi, in particolare pori di carbonio di diametro inferiore a un nanometro. E più stretto è il poro, meno gli ioni aderiscono all'ordinamento coulombiano.

"Questa è la prima volta che viene dimostrata in modo convincente la rottura dell'ordinamento coulombiano nei pori subnanometrici, " disse Gogotsi, un autore del documento, che è il Distinguished University e professore di Bach al Drexel's College of Engineering. "La rottura dei principi di simmetria, come l'ordinamento coulombiano, svolge un ruolo essenziale in natura. Ma molti di questi processi si verificano senza che noi li comprendiamo e ne conosciamo i meccanismi. La scienza può rivelare quei processi nascosti. E se li capiamo, alla fine possiamo sviluppare una tecnologia migliore lavorando alle stesse scale nanometriche e subnanometriche della natura".

Per fare la sua scoperta, il team, compresi i ricercatori dell'Università di Shinshu in Giappone; Loughborough University nel Regno Unito; l'Università di Adelaide in Australia; e Università della Sorbona, la rete di ricerca francese sull'accumulo di energia elettrochimica, e l'Università Paul Sabatier in Francia, hanno creato due serie di nanomateriali di carbonio. Uno aveva pori di almeno un nanometro di diametro e uno con pori inferiori a un nanometro. Hanno quindi usato i materiali per disegnare un liquido ionico come se fossero una spugna che assorbe acqua.

Nei liquidi ionici, che sono sali liquidi a temperatura ambiente spesso utilizzati come solventi nell'industria chimica, gli ioni sono stratificati in piena conformità con il modello alternato positivo-negativo dell'ordinamento coulombiano. Ma quando il liquido ionico ha assorbito i nanopori di carbonio, ha costretto gli ioni ad allinearsi in linee a filamento singolo e doppio. E, come uno stormo di scolari che corrono verso l'autobus, non sempre finivano in fila accanto ai loro soliti coorti.

"In questo stato, l'ordinamento coulombiano del liquido è rotto, " hanno scritto gli autori. "Gli ioni della stessa carica si avvicinano l'uno all'altro a causa di uno screening delle loro interazioni elettrostatiche da parte delle cariche di immagine indotte nelle pareti dei pori".

Il team ha osservato questa interruzione nell'ordine naturale degli ioni attraverso la diffusione dei raggi X e ha modellato il processo per spiegare le osservazioni sperimentali. Hanno anche riferito che l'ordinamento non coulombiano è diventato più pronunciato quando è stata applicata una carica elettrica al materiale di carbonio.

"I nostri risultati suggeriscono l'esistenza di un meccanismo su scala molecolare che riduce l'energia di repulsione coulombiana tra i co-ioni che si avvicinano l'uno all'altro, " hanno scritto. Questo meccanismo, loro teorizzano, è legato alla carica temporaneamente imposta sulle pareti dei pori del carbonio. Questa "carica di immagine, " loro scrivono, compensa la naturale repulsione elettrostatica degli ioni della stessa carica, per consentire ai canali di riempirsi con ioni con la stessa carica allineati uno accanto all'altro.

Gogotsi suggerisce che questa scoperta potrebbe rendere più fattibile l'uso di liquidi ionici nelle batterie e in altri dispositivi di accumulo di energia, che è stato esaminato come metodo per rendere più sicure le batterie, ma deve ancora prendere piede perché ne limita le prestazioni.

"Possiamo ottenere batterie e supercondensatori più sicuri quando si utilizzano elettroliti liquidi ionici perché non sono infiammabili come la soluzione elettrolitica attualmente utilizzata in questi dispositivi, " Gogotsi ha detto. "Inoltre, poiché non c'è solvente, l'intero volume è occupato da ioni e potremmo essere in grado di immagazzinare più energia rispetto agli elettroliti convenzionali che utilizzano solventi organici".

Sta anche considerando questa scoperta come una che potrebbe avere un impatto significativo sulla spinta verso la tecnologia di desalinizzazione dell'acqua. Le membrane attualmente in fase di sviluppo per trasformare l'acqua salata in acqua potabile potrebbero essere migliorate con questa conoscenza del comportamento degli ioni all'interno dei pori subnanometrici.