Det visar sig att när de har bråttom och utrymmet är begränsat, joner, som människor, kommer att hitta ett sätt att tränga in – även om det innebär att trotsa naturens normer. Nyligen publicerad forskning från ett internationellt team av forskare, inklusive Drexel Universitys Yury Gogotsi, PhD, visar att de laddade partiklarna faktiskt kommer att avstå från sina "motsatser attraherar" beteende, kallas Coulombic ordering, när det är instängt i de små porerna i ett nanomaterial. Denna upptäckt kan vara en avgörande utveckling för energilagring, vattenrening och alternativ energiproduktionsteknik, som alla involverar joner packning i nanoporösa material.

I deras tidning, som nyligen publicerades i tidskriften Naturmaterial , forskarna förklarar hur Coulombisk ordning i flytande salter börjar bryta ner när joner är inneslutna i små utrymmen - specifikt kolporer som är mindre än en nanometer i diameter. Och ju smalare porer, desto mindre hänger jonerna fast vid Coulombisk ordning.

"Detta är första gången att brytningen av Coulombic-ordningen i subnanometerporer har påvisats på ett övertygande sätt, sa Gogotsi, en författare till tidningen, som är Distinguished University och Bach-professor vid Drexels College of Engineering. "Att bryta symmetriprinciperna, som Coulombic beställning, spelar en viktig roll i naturen. Men många av dessa processer sker utan att vi förstår dem och känner till deras mekanismer. Vetenskapen kan avslöja dessa dolda processer. Och om vi förstår dem, vi kan så småningom utveckla bättre teknik genom att arbeta på samma nanometer- och subnanometerskala som naturen gör."

För att göra sin upptäckt, teamet – inklusive forskare från Shinshu University i Japan; Loughborough University i Storbritannien; University of Adelaide i Australien; och Sorbonne University, det franska forskningsnätverket för elektrokemisk energilagring, och Paul Sabatier University i Frankrike – skapade två uppsättningar av kolnanomaterial. En hade porer som var minst en nanometer i diameter och en med porer mindre än en nanometer. De använde sedan materialen för att dra in jonisk vätska som om de vore en svamp som suger upp vatten.

I joniska vätskor, som är flytande rumstemperatursalter som ofta används som lösningsmedel i den kemiska industrin, joner är skiktade i full överensstämmelse med det alternerande positivt-negativa mönstret av Coulombisk ordning. Men när den joniska vätskan drogs in i kolnanoporerna tvingade den jonerna att radas upp i enkel- och dubbelfilslinjer. Och, som en flock grundskoleelever som springer efter bussen, de hamnade inte alltid i kö bredvid sina vanliga årskullar.

"I detta tillstånd, den coulombiska ordningen av vätskan är bruten, " skrev författarna. "Joner av samma laddning grannar varandra på grund av en screening av deras elektrostatiska interaktioner av bildladdningarna som induceras i porväggarna."

Teamet observerade denna störning i den naturliga ordningen av joner genom röntgenspridning och modellerade processen för att förklara de experimentella observationerna. De rapporterade också att den icke-coulombiska ordningen blev mer uttalad när en elektrisk laddning applicerades på kolmaterialet.

"Våra resultat tyder på att det finns en mekanism i molekylär skala som minskar den Coulombiska repulsionsenergin mellan kojoner som kommer närmare varandra, " skrev de. Denna mekanism, de teoretiserar, är kopplad till den laddning som tillfälligt läggs på kolporernas väggar. Denna "bildladdning, " de skriver, kompenserar den naturliga elektrostatiska repulsionen av joner med samma laddning, för att låta kanalerna fyllas med samma laddade joner bredvid varandra.

Gogotsi föreslår att denna upptäckt kan göra det mer genomförbart att använda joniska vätskor i batterier och andra energilagringsenheter, som har undersökts som en metod för att göra batterier säkrare men har ännu inte kommit ikapp eftersom det begränsar deras prestanda.

"Vi kan få säkrare batterier och superkondensatorer när vi använder joniska flytande elektrolyter eftersom de inte är brandfarliga som den elektrolytlösning som för närvarande används i dessa enheter, " sade Gogotsi. "Också, eftersom det inte finns något lösningsmedel, hela volymen är upptagen av joner och vi kanske kan lagra mer energi jämfört med konventionella elektrolyter som använder organiska lösningsmedel."

Han ser också på denna upptäckt som en som kan ha en betydande inverkan på drivkraften för vattenavsaltningsteknik. Membran som för närvarande utvecklas för att förvandla saltvatten till dricksvatten skulle kunna förbättras med denna kunskap om jonbeteende i subnanometerporer.