Från batterier till biologi, salthaltiga vätskor är avgörande för fortsatt prestanda. Att förstå dessa vätskors beteende noggrant är beroende av att korrekt skildra de molekylära strukturerna de bildar. Dr Marcel Baer, Dr Timothy Duignan, och Dr Christopher Mundy vid Pacific Northwest National Laboratory fastställde att den exakta strukturen hos ett par joner isolerade i vatten exakt rapporterar om hur en hel lösning kommer att bete sig.

"Denna exakta lokala struktur är den viktiga biten för att relatera det mikroskopiska till det makroskopiska, eller inneboende egenskaper hos jonerna i lösning till kollektiva egenskaper, sa Mundy, som ledde studierna på PNNL.

Genom att integrera beräkningar och experiment kring två joner som bildar ett jonpar av salt, teamet kan förstå lösningens kollektiva karaktär. Nämligen, teamet kan förstå klustringsstatistiken eftersom den relaterar till jonernas specifika beteende vid olika koncentrationer, som mäts med den osmotiska koefficienten. Specifikt, bildas elektrolyten till kluster eller stannar som isolerade joner i olika koncentrationer?

Elektrolyternas beteende och artbildning påverkar allt från deras användning som batterielektrolyter till deras beteende i komplext kärnavfall. Genom att förstå hur individuella egenskaper hos joner påverkar deras kollektiva beteende, forskare kan bestämma hur koncentrationen och typen av elektrolyt ska skräddarsys för specifika tillämpningar.

Teamet undersökte hur den korrekta molekylstrukturen påverkar lösningens termodynamik. De bestämde strukturen genom utökade röntgenabsorptionsfinstrukturmätningar och molekylär simulering baserad på kvantmekanik. Teamets arbete visar att det är möjligt att förutsäga i vilken grad joner paras ihop i lösning (kallad aktivitet) genom att använda exakta beskrivningar av det lokala jonvattnet, och jon-jon-interaktioner.

I en samtidig inbjuden recensionsartikel med Dr. Tim Duignan, teamet visade hur man får ihop parningen rätt med beräkningar på hög nivå. Resultaten ger den nödvändiga molekylära detaljen för att förbättra makroskopiska teorier om jonlösning.