Simulationen und Experimente zeigen beispiellose Details über die Bewegung von Wasser in Salzwasser

In Salzwasserlösungen bewegen sich Wassermoleküle in einer Größenordnung von mehr als einer Billion Mal pro Sekunde schnell um Salzionen herum, sowohl nach Experimenten als auch nach Simulationen unter der Leitung von Wissenschaftlern der New York University und der Sorbonne.

„Salzlösungen haben mehr zu bieten, als man denkt“, sagte Alexej Jerschow, Professor am Department of Chemistry der NYU und einer der leitenden Autoren der Studie. „Dies wurde deutlich, als wir die sehr schnelle Dynamik von Natriumchlorid-Ionen und umgebenden Wassermolekülen sowohl gemessen als auch modelliert haben.“

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Naturkommunikationwird es Forschern ermöglichen, zuverlässigere Modelle zur Vorhersage der Ionendynamik zu erstellen, die für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Bemühungen verwendet werden könnten, von der Verbesserung wiederaufladbarer Batterien bis hin zu MRTs.

Ionen sind allgegenwärtig und lebensnotwendig. Viele Ionen, wie Natrium und Kalium, sind im menschlichen Körper allgegenwärtig und bestimmen die Lebensfähigkeit der Zellen, die Signalübertragung von Nerven und die strukturelle Integrität von Geweben. Wie Ionen mit Lösungsmitteln interagieren, spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle; zum Beispiel verlassen sich wiederaufladbare Batterien auf die Bewegung von Ionen durch Elektrolytlösungen.

Ionen in einer Lösung auf Wasserbasis sind typischerweise von vier bis sechs Wassermolekülen umgeben, aber es ist nicht gut verstanden, inwieweit sich diese Moleküle als Einheit bewegen und wie viel Bewegung die Wassermoleküle erfahren. Früher verwendete Modelle waren unzureichend, um die konzertierte Bewegung zwischen Wasser und den Ionen zu erfassen.

Um die Bewegung von Salz- und Wassermolekülen zu untersuchen, verwendeten die Forscher die Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie, ein vielseitiges Werkzeug, das routinemäßig zur Bestimmung der Struktur von Molekülen verwendet wird, und kombinierten die experimentellen Daten mit detaillierten Computersimulationen, die die Dynamik modellieren können Salzionen auf atomarer Ebene.

Die Forscher testeten Salzwasser über einen weiten Konzentrations- und Temperaturbereich und kombinierten experimentelle Daten und Computersimulationen. Dabei beobachteten sie, dass Wassermoleküle in extrem schnellem Tempo um die Natrium- und Chloridionen herumwackeln – mehr als eine Billion Mal pro Sekunde. Außerdem wurde bisher angenommen, dass sich Ionen zusammen mit umgebenden Lösungsmittelmolekülen als Einheit bewegen, aber das Experiment zeigte, dass dies nicht der Fall ist; Stattdessen wackeln die Wassermoleküle viel schneller als der Ionen-Wasser-Komplex.

„Wir haben eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation gefunden, die es uns ermöglicht, zuverlässige Modelle für die Ionendynamik zu erstellen“, sagte Jerschow.

„Wir wenden uns jetzt komplexeren Elektrolyten und dem zu, was in der Nähe fester Oberflächen passiert, und die Kombination von Experimenten mit Simulationen wird erneut unerlässlich sein, um Fortschritte zu erzielen“, sagte Benjamin Rotenberg von der Sorbonne Université und dem französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS). der andere leitende Autor der Studie.

„Wir gehen davon aus, dass diese Arbeit Erkenntnisse in vielen Bereichen – von der Medizin bis zur Energiespeicherung – liefern kann, die auf einem guten Verständnis der Ionendynamik in Lösung aufbauen“, fügte Jerschow hinzu.