24.01.2023 - New York University

Simulationen und Experimente enthüllen bisher unbekannte Details der Wasserbewegung im Salzwasser

Forscher erfassten extrem schnelle Dynamik

In Salzwasserlösungen bewegen sich die Wassermoleküle mehr als eine Billion Mal pro Sekunde um die Salzionen herum, so das Ergebnis von Experimenten und Simulationen, die von Wissenschaftlern der New York University und der Sorbonne durchgeführt wurden.

"In Salzlösungen steckt mehr, als man auf den ersten Blick sieht", sagt Alexej Jerschow, Professor am Fachbereich Chemie der NYU und einer der Hauptautoren der Studie. "Dies wurde deutlich, als wir die sehr schnelle Dynamik von Natriumchlorid-Ionen und den sie umgebenden Wassermolekülen sowohl gemessen als auch modelliert haben."

Die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse werden es den Forschern ermöglichen, zuverlässigere Modelle für die Vorhersage der Ionendynamik zu erstellen, die für eine Vielzahl wissenschaftlicher Bestrebungen genutzt werden könnten, von der Verbesserung wiederaufladbarer Batterien bis hin zu MRTs.

Ionen sind allgegenwärtig und wichtig für das Leben. Viele Ionen, wie z. B. Natrium und Kalium, sind im menschlichen Körper allgegenwärtig und bestimmen die Lebensfähigkeit von Zellen, die Signalübertragung von Nerven und die strukturelle Integrität von Geweben. Wie Ionen mit Lösungsmitteln interagieren, spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle; so sind beispielsweise wiederaufladbare Batterien auf die Bewegung von Ionen durch Elektrolytlösungen angewiesen.

Ionen in einer wässrigen Lösung sind in der Regel von vier bis sechs Wassermolekülen umgeben, aber es ist nicht klar, inwieweit sich diese Moleküle als Einheit bewegen und wie viel Bewegung die Wassermoleküle erfahren. Die bisher verwendeten Modelle waren unzureichend, um die konzertierte Bewegung zwischen Wasser und Ionen zu erfassen.

Um die Bewegung von Salz- und Wassermolekülen zu untersuchen, nutzten die Forscher die kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR), ein vielseitiges Instrument, das routinemäßig zur Bestimmung der Struktur von Molekülen eingesetzt wird, und kombinierten die experimentellen Daten mit detaillierten Computersimulationen, die die Dynamik um Salzionen auf atomarer Ebene modellieren können.

Bei der Untersuchung von Salzwasser in einem breiten Konzentrations- und Temperaturbereich und der Kombination von experimentellen Daten und Computersimulationen stellten die Forscher fest, dass sich die Wassermoleküle extrem schnell um die Natrium- und Chloridionen bewegen - mehr als eine Billion Mal pro Sekunde. Außerdem wurde bisher angenommen, dass sich die Ionen zusammen mit den sie umgebenden Lösungsmittelmolekülen als Einheit bewegen. Das Experiment zeigte jedoch, 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 Simulationen gefunden, die es uns ermöglicht, zuverlässige Modelle für die Ionendynamik zu erstellen", sagt Jerschow.

"Wir wenden uns jetzt komplexeren Elektrolyten und den Vorgängen in der Nähe von Festkörperoberflächen zu, und die Kombination von Experimenten und Simulationen wird auch hier von entscheidender Bedeutung sein, um Fortschritte zu erzielen", so Benjamin Rotenberg von der Universität Sorbonne und dem französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS), der andere Hauptautor der Studie.

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

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