Kontrolle des Ionentransports für Energie, Umwelt

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Das Verständnis und die Kontrolle des Ionentransports in porösen Materialien und an hydrophoben Grenzflächen ist von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl von Energie- und Umwelttechnologien, die von ionenselektiven Membranen, Medikamentenabgabe und Biosensorik bis hin zu Ionenbatterien und Superkondensatoren reichen.Ein detailliertes Verständnis des nanoskaligen Transports steckt jedoch noch in den Kinderschuhen.

Zum Beispiel wurde der nanoskalige Transport oft durch vereinfachte Kontinuumsmodelle beschrieben, die sich auf eine Punktladungsbeschreibung für Ionen und ein homogenes dielektrisches Medium für das Lösungsmittel stützen, wobei Ionen mit derselben Wertigkeit nicht unterschieden werden.In einer kürzlich durchgeführten Studie zeigten Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Zusammenarbeit mit der University of California, Irvine (UCI), dass der Ionentransport in der Nähe einer hydrophoben Grenzfläche nicht nur von der angelegten Spannung, sondern auch von der Art des Ions abhängt.

Das Team fand heraus, dass Ionenströme durch einzelne Siliziumnitrid-Nanoporen, die eine hydrophob-hydrophile Grenzschicht enthalten, stark von der Größe und Hydratationsstärke der solvatisierten Ionen abhängen können.”Unsere Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass die großen Anionen, wie Brom und Jod, dazu neigen, von der wässrigen Lösung an die Grenzfläche zu wandern, was zu einer Anionenakkumulation führt, die für die Porenbenetzung und verstärkte Ionenströme verantwortlich ist”, sagte Fikret Aydin, ein Postdoc in der Gruppe für Quantensimulationen in der Materialwissenschaftlichen Abteilung des LLNL und Theorieleiter einer Arbeit, die in ACS Nano erschienen ist.Zuzanna Siwy, UCI-Professorin an der Fakultät für Physik und Astronomie und Mitautorin des Papiers, sagte, die Studie sei von großem Interesse für die Vorbereitung ionenempfindlicher Systeme auf der Grundlage hydrophober Poren.

Man kann sich auch vorstellen, dass es möglich sein sollte, eine ventilähnliche Membran vorzubereiten, die sich für den Ionen- und Molekültransport öffnet, wenn eine Schwellenspannung oder/und ein Gating Ion hinzugefügt wird”, sagte sie.Anh Pham, ein LLNL-Materialwissenschaftler in der Gruppe für Quantensimulationen und einer der Hauptautoren des Papiers, fügte hinzu: “Die….

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