Acontece que quando eles estão com pressa e o espaço é limitado, íons, como pessoas, encontrará uma maneira de se enfiar - mesmo que isso signifique desafiar as normas da natureza. Pesquisas publicadas recentemente por uma equipe internacional de cientistas, incluindo Yury Gogotsi da Drexel University, PhD, mostra que as partículas carregadas realmente abandonarão seu comportamento de "atração de opostos", chamado de ordenação Coulombic, quando confinado nos minúsculos poros de um nanomaterial. Esta descoberta pode ser um desenvolvimento fundamental para o armazenamento de energia, tratamento de água e tecnologias alternativas de produção de energia, que envolvem íons empacotando em materiais nanoporosos.

Em seu jornal, que foi publicado recentemente no jornal Materiais da Natureza , os pesquisadores explicam como a ordenação de Coulombic em sais líquidos começa a quebrar quando os íons são confinados em pequenos espaços - especificamente poros de carbono com menos de um nanômetro de diâmetro. E quanto mais estreito o poro, quanto menos os íons aderem ao ordenamento Coulombic.

"Esta é a primeira vez que a quebra da ordenação Coulombic em poros subnanométricos foi demonstrada de forma convincente, "disse Gogotsi, um autor do artigo, que é o Distinguished University e Bach professor na Drexel's College of Engineering. "A quebra dos princípios de simetria, como a ordenação Coulombic, desempenha um papel essencial na natureza. Mas muitos desses processos ocorrem sem que os entendamos e conheçamos seus mecanismos. A ciência pode revelar esses processos ocultos. E se os entendermos, podemos eventualmente desenvolver uma tecnologia melhor trabalhando nas mesmas escalas nanométricas e subnanométricas que a natureza faz. "

Para fazer sua descoberta, a equipe - incluindo pesquisadores da Shinshu University no Japão; Loughborough University no Reino Unido; A Universidade de Adelaide na Austrália; e a Sorbonne University, a Rede Francesa de Pesquisa em Armazenamento de Energia Eletroquímica, e a Universidade Paul Sabatier na França - criaram dois conjuntos de nanomateriais de carbono. Um tinha poros de pelo menos um nanômetro de diâmetro e outro com poros menores que um nanômetro. Eles então usaram os materiais para aspirar o líquido iônico como se fossem uma esponja absorvendo água.

Em líquidos iônicos, que são sais líquidos em temperatura ambiente, frequentemente usados ​​como solventes na indústria química, os íons são dispostos em camadas em total conformidade com o padrão alternativo positivo-negativo da ordenação Coulombic. Mas, à medida que o líquido iônico entrava nos nanoporos de carbono, ele forçava os íons a se alinharem em fileiras simples e duplas. E, como um bando de alunos do ensino fundamental correndo para o ônibus, eles nem sempre terminavam na fila ao lado de seus companheiros habituais.

"Neste estado, o ordenamento Coulombic do líquido é quebrado, "escreveram os autores." Íons com a mesma carga ficam próximos uns dos outros devido a uma triagem de suas interações eletrostáticas pelas cargas de imagem induzidas nas paredes dos poros. "

A equipe observou essa ruptura na ordem natural dos íons por meio do espalhamento de raios-X e modelou o processo para explicar as observações experimentais. Eles também relataram que a ordenação não-coulombiana se tornou mais pronunciada quando uma carga elétrica foi aplicada ao material de carbono.

"Nossos resultados sugerem a existência de um mecanismo de escala molecular que reduz a energia de repulsão colombiana entre co-íons que se tornam mais próximos uns dos outros, "eles escreveram. Este mecanismo, eles teorizam, está ligada à carga temporariamente imposta nas paredes dos poros do carbono. Esta "cobrança de imagem, " eles escrevem, compensa a repulsão eletrostática natural de íons da mesma carga, para permitir que os canais sejam preenchidos com íons com a mesma carga alinhados um ao lado do outro.

Gogotsi sugere que esta descoberta pode tornar mais viável o uso de líquidos iônicos em baterias e outros dispositivos de armazenamento de energia, que foi examinada como um método para tornar as baterias mais seguras, mas ainda não pegou porque limita seu desempenho.

"Podemos obter baterias e supercapacitores mais seguros ao usar eletrólitos líquidos iônicos porque eles não são inflamáveis ​​como a solução eletrolítica usada atualmente nesses dispositivos, "Gogotsi disse." Além disso, uma vez que não há solvente, todo o volume é ocupado por íons e podemos ser capazes de armazenar mais energia em comparação com eletrólitos convencionais que usam solventes orgânicos. "

Ele também está considerando essa descoberta como uma que poderia ter um impacto significativo no impulso para a tecnologia de dessalinização de água. Membranas atualmente sendo desenvolvidas para transformar água salgada em água potável poderiam ser aprimoradas com este conhecimento sobre o comportamento dos íons dentro dos poros do subnanômetro.