Управление ионным транспортом для энергетики и экологии

Понимание и контроль транспорта ионов в пористых материалах и на гидрофобных границах раздела критически важны для широкого спектра энергетических и экологических технологий — от ионоселективных мембран, доставки лекарств и биосенсоров до ионных батарей и суперконденсаторов.

Однако детальное понимание наноразмерного транспорта все еще находится в зачаточном состоянии. Часто его описывают упрощенными континуальными моделями, которые рассматривают ионы как точечные заряды, а растворитель — как однородную диэлектрическую среду, не различая ионы с одинаковой валентностью.

В недавнем исследовании ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Ирвайне (UCI) показали, что транспорт ионов вблизи гидрофобной поверхности зависит не только от приложенного напряжения, но и от типа иона. Команда обнаружила, что ионные токи через одиночные нанопоры нитрида кремния, содержащие гидрофобно-гидрофильный переход, могут сильно зависеть от размера и силы гидратации сольватированных ионов.

"Наши молекулярно-динамические симуляции показали, что крупные анионы, такие как бром и йод, склонны мигрировать из водного раствора к границе раздела, что приводит к накоплению анионов, ответственному за смачивание поры и усиление ионных токов", — сказал Фикрет Айдын, постдок в Группе квантового моделирования LLNL и ведущий теоретик статьи в ACS Nano.

Профессор УЦИ Зузанна Сиви отметила, что исследование представляет большой интерес для создания ион-чувствительных систем на основе гидрофобных пор. "Можно также представить, что должно быть возможно создать мембрану, подобную клапану, которая открывается для ионного и молекулярного транспорта при добавлении порогового напряжения и/или ионного затвора", — сказала она.

Материаловед LLNL и соавтор работы Ан Фам добавил: "Результаты дают фундаментальное понимание роли гидратации ионов в свойствах границ раздела твердое тело/жидкость. Это важно для проектирования нанопористых систем, селективных к ионам с одинаковым зарядом, а также для реализации ион-индуцированного смачивания в гидрофобных порах".