En forskargrupp, knuten till UNIST har uppnått en banbrytande bedrift genom att observera upplösningen av salt i vatten på atomnivå och experimentellt avslöja den underliggande principen.
Under ledning av professor Hyung-Joon Shin och hans forskare från Institutionen för materialvetenskap och teknik vid UNIST introducerade teamet den innovativa "single ion control technology". Detta banbrytande tillvägagångssätt möjliggör exakt manipulering av enskilda vattenmolekyler för att selektivt extrahera specifika joner från salt.
Resultaten av studien publicerades i Nature Communications den 16 mars 2024.
Salt, sammansatt av robusta jonbindningar mellan natriumkatjoner (Na + ) och kloranjoner (Cl - ), genomgår en transformativ process när den sänks ned i vatten. Interaktionen mellan de positiva och negativa polariteterna hos vattenmolekyler stör bindningen mellan natrium- och klorjonerna, vilket leder till att de separeras och bildar saltvatten.
Även om principen för saltupplösning i vatten kan verka okomplicerad, har tidigare studier huvudsakligen utforskat detta fenomen teoretiskt. Förmågan att experimentellt bekräfta vilka joner som löses först i vatten och belysa mekanismen genom vilken vattenmolekyler försvagar saltets jonbindningar hade dock förblivit svårfångad fram till nu. Professor Shin anmärkte:"Utmaningen låg i den intrikata naturen av att studera och kontrollera enskilda joner mitt i den dynamiska rörelsen av lösta joner i vatten."
I ett noggrant kontrollerat experiment utfört i kryogena och ultrahöga vakuumförhållanden vid –268,8°C, placerade forskargruppen en vattenmolekyl på ett tunt saltmembran bestående av två till tre atomlager. Med hjälp av ett skanningstunnelmikroskop (STM) som kan mäta i atomskala, observerade teamet en minuts höjdförändring på 10 picometers (pm) när vattenmolekyler manövrerades horisontellt över saltmembranet. Denna observation tillskrevs den starka interaktionen mellan kloranjoner och vattenmolekyler.
Genom att strategiskt flytta vattenmolekyler längs saltfilmen med varierande atomtjocklek inducerade forskarna framgångsrikt försvinnandet av en kloranjon från dess väg. Vattenmolekylernas polaritet spelade en avgörande roll för att bryta saltets jonbindning, vilket fick kloranjonen att komma ut före natriumkatjonen.
Teamet betonade vidare att polarisationshastigheten för kloranjoner, som är 20 gånger mer uttalad än natriumkatjoner, gör dem mycket känsliga för yttre elektriska förändringar inducerade av vattenmolekyler. Denna ökade lyhördhet var särskilt tydlig i områden där atomer saknade tillräcklig bindning med den omgivande miljön.
Huijun Han (Combined MS/Ph.D. Program of Materials Science and Engineering, UNIST), huvudförfattaren till artikeln, sa:"Medan den teoretiska förståelsen av saltsmältning i vatten länge har etablerats, är vår framgång med att extrahera enstaka joner genom exakt kontroll av vattenmolekyler markerar ett betydande experimentellt genombrott."
"Joner spelar en avgörande roll för att förändra prestandan hos batterier och halvledarmaterial," betonade professor Shin. "Vi föreställer oss att utnyttja tekniken för kontroll av en enda jon för att utveckla grundläggande teknologier relaterade till jonfunktioner."
Mer information: Huijun Han et al, Kontrollerad upplösning av en enda jon från ett saltgränssnitt, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46704-y
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Ulsan National Institute of Science and Technology
