Liquidi ionici a temperatura ambiente (IL), una classe speciale di sali fusi, promettono prestazioni elettrochimiche di gran lunga superiori rispetto alle soluzioni acquose convenzionali grazie a una serie di proprietà nuove e regolabili. Negli ultimi due decenni, Gli IL sono stati esplorati come mezzo per migliorare una gamma di diverse tecnologie, dallo stoccaggio e conversione dell'energia alla catalisi alla galvanica di metalli e semiconduttori.

Un ottimo esempio di dove gli IL possono lasciare il segno è nei supercondensatori a base di carbonio che immagazzinano energia elettrica nell'interfaccia nanoporosa elettrodo-elettrolita. Il modo in cui gli IL si assemblano in questa interfaccia regola la quantità di energia immagazzinata e le velocità di carica e scarica nei dispositivi. Però, le intuizioni strutturali complete sono state lente ad evolversi perché il comportamento degli elettroliti alle interfacce e sotto confinamento è difficile da risolvere. Ciò è particolarmente vero per gli IL, che si esibiscono ingombranti, configurazioni molecolari flessibili e ampiamente variabili.

In una ricerca recentemente pubblicata su The Journal of Physical Chemistry Letters , Gli scienziati del Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) hanno accoppiato esperimenti a raggi X con simulazioni ad alta fedeltà per studiare una famiglia ampiamente utilizzata di IL confinati in nanopori di carbonio tipicamente utilizzati nei supercondensatori. Il lavoro rappresenta il primo studio che combina la dinamica molecolare dei primi principi e la diffusione dei raggi X per analizzare IL confinati nello spazio, consentendo nuove intuizioni su proprietà esotiche che si verificano solo all'interno di questi spazi eccezionalmente piccoli.

Il team ha rilevato sperimentalmente un'interruzione estrema nella struttura degli IL, che è stato previsto e spiegato in modo univoco dalle loro simulazioni. Il team ha anche dimostrato come le deviazioni dal comportamento liquido tipico dipendessero fortemente dalle dimensioni relative degli ioni e dei pori. Finalmente, nonostante significative deviazioni nella struttura sotto confinamento, lo studio indica che la stabilità elettrochimica superiore delle IL rimane intatta, che è importante per mantenere le prestazioni dei dispositivi di accumulo di energia.

"Il vero successo è l'integrazione tra simulazioni quantomeccaniche, sintesi di nanomateriali su misura e caratterizzazione avanzata a raggi X. Questa potente combinazione di tecniche offre una comprensione molto più completa della struttura delle IL in carboni porosi estremamente stretti, " disse Tuan Anh Pham, Scienziato LLNL nel Quantum Simulations Group e autore principale dell'articolo. "Lo studio rappresenta gli sforzi continui di LLNL nello stabilire una collaborazione interdisciplinare nel settore dei materiali energetici, come il Laboratorio di Applicazioni Energetiche per il Futuro."

ricercatori e coautori LLNL sulla carta, Colin Loeb e Patrick Campbell, ha sfruttato le conoscenze speciali del laboratorio per sintonizzare sinteticamente le dimensioni dei pori all'interno di aerogel di carbonio nanoporoso ad alta superficie. Questa nuova capacità del materiale ha permesso al team di sondare con raggi X di sincrotrone diversi stati confinati dei liquidi ionici e mettere insieme un quadro più completo degli effetti del confinamento sulla struttura.

Per questo lavoro, LLNL ha creato una nuova collaborazione con l'Università di Bayreuth in Germania per sfruttare le competenze chiave nella caratterizzazione delle strutture su mesoscala.

"La scienza delle interfacce è un'area così eccitante, dove stiamo letteralmente solo grattando la superficie di una comprensione atomistica di ciò che sta realmente accadendo, " disse Mirijam Zobel, un membro della facoltà del Dipartimento di Chimica dell'Università di Bayreuth e coautore dello studio. "È un'esperienza gratificante far parte di questo team internazionale e ampliare le nostre conoscenze sulla ristrutturazione interfacciale di liquidi complessi".

"Adoro il modo in cui le diverse sfaccettature del nostro team hanno spinto i limiti di ciò a cui potrebbero essere abituati tecnicamente o scientificamente per integrarsi veramente insieme, " ha detto Eric Meshot, Scienziato LLNL e ricercatore principale del progetto. "Siamo stati in grado di scoprire alcune intuizioni fondamentali fondamentali che hanno importanti implicazioni pratiche per i dispositivi di accumulo di energia. Ora siamo in una posizione unica per pensare di più a come queste intuizioni possono avvantaggiare le applicazioni reali".