Guidato dal professor Hyung-Joon Shin e dai suoi ricercatori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UNIST, il team ha introdotto l'innovativa "tecnologia di controllo dello ione singolo". Questo approccio all'avanguardia consente la manipolazione precisa delle singole molecole d'acqua per estrarre selettivamente ioni specifici dal sale.

I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature Communications il 16 marzo 2024.

Sale, composto da robusti legami ionici tra cationi sodio (Na ⁺ ) e anioni cloro (Cl ^- ), subisce un processo di trasformazione quando immerso in acqua. L'interazione tra le polarità positive e negative delle molecole d'acqua interrompe il legame tra gli ioni sodio e cloro, portando alla loro separazione e alla formazione di acqua salata.

Anche se il principio della dissoluzione del sale nell’acqua può sembrare semplice, studi precedenti hanno esplorato questo fenomeno prevalentemente a livello teorico. Tuttavia, la capacità di confermare sperimentalmente quali ioni si dissolvono per primi nell’acqua e di chiarire il meccanismo attraverso il quale le molecole d’acqua indeboliscono i legami ionici del sale era rimasta finora sfuggente. Il professor Shin ha osservato:"La sfida risiedeva nella natura complessa dello studio e del controllo dei singoli ioni nel mezzo del movimento dinamico degli ioni disciolti nell'acqua."

In un esperimento meticolosamente controllato condotto in condizioni criogeniche e di vuoto ultra-alto a –268,8°C, il gruppo di ricerca ha posizionato una molecola d’acqua su una sottile membrana salina composta da due o tre strati atomici. Utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM) in grado di effettuare misurazioni su scala atomica, il team ha osservato un cambiamento minimo di altezza di 10 picometri (pm) mentre le molecole d'acqua venivano manovrate orizzontalmente attraverso la membrana salina. Questa osservazione è stata attribuita alla forte interazione tra anioni cloro e molecole d'acqua.

Spostando strategicamente le molecole d'acqua lungo la pellicola salina con spessore atomico variabile, i ricercatori sono riusciti a indurre con successo la scomparsa di un anione cloro dal suo percorso. La polarità delle molecole d'acqua ha svolto un ruolo fondamentale nella rottura del legame ionico del sale, facendo emergere l'anione cloro davanti al catione sodio.

Il team ha inoltre evidenziato che il tasso di polarizzazione degli anioni del cloro, che sono 20 volte più pronunciati dei cationi del sodio, li rende altamente sensibili ai cambiamenti elettrici esterni indotti dalle molecole d'acqua. Questa maggiore reattività era particolarmente evidente nelle regioni in cui gli atomi non avevano un legame sufficiente con l'ambiente circostante.

Huijun Han (Programma combinato MS/Ph.D. di Scienza dei Materiali e Ingegneria, UNIST), l'autore principale dell'articolo ha dichiarato:"Mentre la comprensione teorica dello scioglimento del sale in acqua è stata stabilita da tempo, il nostro successo nell'estrazione di singoli ioni attraverso il controllo preciso delle molecole d'acqua segna un significativo passo avanti sperimentale."

"Gli ioni svolgono un ruolo fondamentale nell'alterare le prestazioni delle batterie e dei materiali semiconduttori", ha sottolineato il professor Shin. "Prevediamo di sfruttare la tecnologia di controllo degli ioni singoli per far avanzare le tecnologie fondamentali relative alle funzionalità degli ioni."