Pesquisadores observam dissolução do sal em nível atômico
Dissolução seletiva de um único íon Cl– da etapa. a, b Imagens STM de moléculas de água na borda do degrau antes e depois da manipulação ao longo de uma seta branca. c Imagem STM de alta resolução de b mostrando um único Cl
–
vaga. d Imagem STM achatada de outro exemplo de dissolução seletiva. Em c e d , pontos azuis e azul-esverdeados indicam Na
+
e Cl
–
íons e círculos pontilhados representam Cl vago
–
sites das etapas. e –h Vista lateral da diferença de densidade de carga e gráficos de seção transversal da molécula de água no Na
+
site (e , f ) e no Cl
–
local da etapa (g , h ) calculado pela DFT. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46704-y Uma equipe de pesquisa afiliada à UNIST alcançou um feito inovador ao observar a dissolução do sal na água em nível atômico e descobrir experimentalmente o princípio subjacente.
Liderada pelo professor Hyung-Joon Shin e seus pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UNIST, a equipe introduziu a inovadora "tecnologia de controle de íon único". Esta abordagem de ponta permite a manipulação precisa de moléculas de água individuais para extrair seletivamente íons específicos do sal.
As conclusões do estudo foram publicadas na Nature Communications em 16 de março de 2024.
Sal, composto de ligações iônicas robustas entre cátions de sódio (Na
+
) e ânions de cloro (Cl
-
), passa por um processo transformador quando imerso em água. A interação entre as polaridades positivas e negativas das moléculas de água rompe a ligação entre os íons sódio e cloro, levando à sua separação e à formação de água salgada.
Embora o princípio da dissolução do sal na água possa parecer simples, estudos anteriores exploraram predominantemente este fenômeno teoricamente. No entanto, a capacidade de confirmar experimentalmente quais íons se dissolvem primeiro na água e elucidar o mecanismo pelo qual as moléculas de água enfraquecem as ligações iônicas do sal permaneceu indefinida até agora. O professor Shin observou:"O desafio reside na natureza intrincada de estudar e controlar íons individuais em meio ao movimento dinâmico de íons dissolvidos na água."
Numa experiência meticulosamente controlada, conduzida em condições criogénicas e de ultra-alto vácuo a –268,8°C, a equipa de investigação colocou uma molécula de água numa fina membrana de sal composta por duas a três camadas atómicas. Empregando um microscópio de varredura por tunelamento (STM) capaz de realizar medições em escala atômica, a equipe observou uma pequena mudança na altura de 10 picômetros (pm) à medida que as moléculas de água eram manobradas horizontalmente através da membrana de sal. Esta observação foi atribuída à forte interação entre os ânions de cloro e as moléculas de água.
Ao mover estrategicamente moléculas de água ao longo da película de sal com espessura atômica variável, os pesquisadores induziram com sucesso o desaparecimento de um ânion cloro de seu caminho. A polaridade das moléculas de água desempenhou um papel fundamental na quebra da ligação iônica do sal, fazendo com que o ânion cloro emergisse antes do cátion sódio.
A equipe destacou ainda que a taxa de polarização dos ânions cloro, que são 20 vezes mais pronunciadas que os cátions sódio, os torna altamente sensíveis às mudanças elétricas externas induzidas pelas moléculas de água. Esta maior capacidade de resposta foi particularmente evidente em regiões onde os átomos não tinham ligação suficiente com o ambiente circundante.
Huijun Han (Programa Combinado de MS/Ph.D. de Ciência e Engenharia de Materiais, UNIST), o principal autor do artigo afirmou:"Embora a compreensão teórica do derretimento do sal na água tenha sido estabelecida há muito tempo, nosso sucesso na extração de íons únicos através o controle preciso das moléculas de água marca um avanço experimental significativo."
“Os íons desempenham um papel fundamental na alteração do desempenho de baterias e materiais semicondutores”, enfatizou o professor Shin. "Prevemos aproveitar a tecnologia de controle de íon único para avançar tecnologias fundamentais relacionadas às funcionalidades de íons."
