Ученые выяснили, как меняется ионная емкость глин, смоченных водой

Изучение взаимодействия между структурой молекул воды, включенных в слоистые материалы, такие как глины, и конфигурацией ионов в таких материалах долгое время оставалось сложной экспериментальной задачей.

Но теперь исследователи впервые использовали для наблюдения метод, который обычно применяется для измерения чрезвычайно малых масс и молекулярных взаимодействий на наноуровне.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications 28 октября 2022 года.

Многие материалы имеют слоистую форму на микроскопическом или наноуровне. Например, в сухом состоянии глина напоминает ряд листов, сложенных друг на друга. Однако, когда такие слоистые материалы сталкиваются с водой, вода может попасть в зазоры или отверстия, или, более точно, в поры, между слоями.

Подобная гидратация может также наблюдаться, когда молекулы воды или их составные элементы, в частности гидроксид-ион (отрицательно заряженный ион, объединяющий один атом кислорода и один атом водорода), интегрируются в кристаллическую структуру материала. Этот тип материала, гидрат, не обязательно станет мокрым, даже если вода теперь становится его частью. То есть выходит сухим из воды. А еще гидратация может существенно изменить структуру и свойства исходного материала.

В этом наноконфигурировании структуры гидратации — то, как расположены молекулы воды или их составные элементы — определяют способность исходного материала накапливать ионы (положительно или отрицательно заряженные атомы или группы атомов).

Такое хранение воды или заряда означает, что подобные слоистые материалы, от обычных глин до слоистых оксидов металлов, и, что очень важно, их взаимодействие с водой, имеют потенциальное широкое применение, от очистки воды до хранения энергии.

Однако изучение взаимодействия между структурой гидратации и конфигурацией ионов в механизме хранения ионов в таких слоистых материалах оказалось очень сложной задачей. А попытки проанализировать, как эти гидратационные структуры изменяются в ходе любого движения этих ионов (ионная передача), еще более сложны.

Последние исследования показали, что подобные водные структуры и взаимодействие со слоистыми материалами играют важную роль в придании последним высокой ионоаккумулирующей способности, которая, в свою очередь, зависит от того, насколько гибкими являются слои, в которых находится вода. В пространстве между слоями поры, не заполненные ионами, заполняются молекулами воды, что помогает стабилизировать слоистую структуру.

Другими словами, структура воды чувствительна к тому, как устроены межслоевые ионы, — говорит Кацуя Тешима, автор-корреспондент исследования и химик-материаловед из Исследовательской инициативы по суперматериалам при Университете Синсю.

И хотя эта конфигурация ионов во многих различных кристаллических структурах определяет, сколько ионов может быть запасено, такие конфигурации до сих пор редко подвергались систематическому исследованию.

Поэтому группа Тешимы обратилась к» кварцевым кристаллическим микровесам с мониторингом рассеивания энергии» (QCM-D), чтобы помочь в теоретических расчетах. QCM-D — это прибор, работающий как весы, который может измерять очень маленькие массы и молекулярные взаимодействия на наноуровне. Метод также позволяет измерять крошечные изменения в потере энергии.

Исследователи использовали QCM-D, чтобы впервые показать, что изменение структуры молекул воды, заключенных в нанопространстве слоистых материалов, можно наблюдать в ходе экспериментов.

Для этого они измерили твердость материалов. Авторы исследовали слоистые двойные гидроксиды (LDHs) из класса отрицательно заряженных глин. Они обнаружили, что структуры гидратации связаны с затвердеванием материала, когда протекает любая реакция ионного обмена (замена одного вида ионов на другой вид ионов, но с тем же изменением).

Любое изменение во взаимодействии ионов связано с изменением структуры гидратации, которое происходит при включении ионов в нанопространство, — добавил, сотрудник исследования, работающий сейчас в Токийском университете.

Кроме того, исследователи обнаружили, что структура гидратации сильно зависит от плотности заряда (количество заряда на единицу объема) слоистого материала. Это, в свою очередь, в значительной степени определяет емкость хранения ионов.

Теперь исследователи надеются применить эти методы измерения вместе со знаниями о структуре гидратации ионов для разработки новых методов улучшения способности слоистых материалов к хранению ионов, что может открыть новые возможности для разделения ионов и устойчивого хранения энергии.

20.01.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание

При выборе материала для инфраструктурных...

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Учёные МИСИС и ИФХЭ РАН разработали быстрый и дешёвый метод получения вольфрама
Учёные МИСИС и ИФХЭ РАН разработали быстрый и дешёвый метод получения вольфрама
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
На российском рынке труда — дефицит инженеров и конструкторов на производстве
На российском рынке труда — дефицит инженеров и конструкторов на производстве
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
ANZJ of Public Health: Пары сварки подвергают сварщиков риску развития рака
ANZJ of Public Health: Пары сварки подвергают сварщиков риску развития рака
Казанские ученые выяснили, что русский язык позитивнее английского
Казанские ученые выяснили, что русский язык позитивнее английского
AIChE Journal: Инженеры исследуют расширение интеллекта для большей безопасности
AIChE Journal: Инженеры исследуют расширение интеллекта для большей безопасности
Оценка мозга при деменции и инсульте также предсказывает депрессию в конце жизни
Оценка мозга при деменции и инсульте также предсказывает депрессию в конце жизни
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание

Новости компаний, релизы

U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред
Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Биохимики СПбГУ выяснили, что гипоксия плода в сочетании со стрессом матери может приводить к никотиновой зависимости
В России начинает работу фонд для нуждающихся в сложном высокотехнологичном лечении