Ионные жидкости представляют собой расплавы органических солей, которые могут быть даже жидкими при комнатной температуре, хотя они не содержат воды. Именно это делает их такими интересными для многочисленных экспериментов и промышленных процессов. Это связано с тем, что вода электролитически диссоциирует на электродах даже при малых напряжениях, что препятствует другим, технически важным электрохимическим реакциям.
Кроме того, молекулы воды окружают ионы и вмешиваются во многие химические процессы. Поэтому в ионных жидкостях, которые состоят только из ионов, возможны совершенно новые реакции.
Ионные жидкости были горячей областью исследований в последние годы, что привело к открытию целого ряда новых соединений. Их технологическое применение разнообразно: в качестве электролитов в батареях, топливных элементах или красителях солнечных элементов, а также в качестве гальванической ванны для нанесения тонких алюминиевых покрытий или полупроводниковых материалов. Тот факт, что они работают при комнатной температуре, упрощает их использование во многих областях применения и, кроме того, экономит электроэнергию.
Однако в настоящее время почти нет данных о том, как электрохимические реакции в ионных жидкостях протекают на молекулярном уровне или как молекулы расположены на поверхности электрода. В то время как в водных жидкостях это изучается в течение десятилетий с помощью современных методов микроскопии, аналогичные исследования в ионных жидкостях были в основном безуспешными: «Молекулы часто просто движутся слишком быстро для обычных инструментов», — говорит профессор Олаф Магнуссен из Кильского университета. Используя самодельный сканирующий туннельный микроскоп, его команда смогла отследить эту загадку.
Видеоролики, записанные коллегой Магнуссена доктором Руи Веном, показывают, как молекулы жидкости размером менее нанометра реагируют на подачу напряжения на золотой электрод. Если поверхность не заряжена, молекулы демонстрируют реакцию, типичную для жидкостей: они неупорядочены и очень подвижны. По мере увеличения напряжения молекулы ложатся на поверхность ровно и образуют ряды, прежде чем, наконец, переориентируются в вертикальное положение.
При этом они становятся все менее мобильными. «Изображения уникальны и помогают нам разрабатывать теории, чтобы лучше описать электродные процессы в ионных жидкостях», — говорит физик Магнуссен. «Это важно не только для фундаментальных исследований, но и для конкретных приложений».Чтобы позволить ей заниматься исследованиями в Кильском университете, Руи Вен подала заявку на стипендию от Фонда Александра фон Гумбольдта, и проект был успешно одобрен. «Особый метод микроскопии действительно привлек меня в Киле», — говорит Вен.
За два года, проведенные в Киль Руи Вен из Китая, она исследовала целый ряд ионных жидкостей, в том числе жидкости с ионами BMP, что является темой недавно опубликованного исследования. Исследователи аккумуляторов, в частности, интересуются BMP.
Результаты исследования в Киле могут привести к лучшему пониманию ионных жидкостей и позволить адаптировать их для более экологически безопасных производственных процессов. Лично для Руй Вэнь исследования уже окупились: недавно она получила предложение создать собственную рабочую группу при Китайской академии наук в Пекине.
Видео: Микроскопические видеоизображения отрицательно заряженного золотого электрода в ионной жидкости. Колеблющийся квадратный узор образован молекулами BMP жидкости, которые упорядоченно прикрепляются к металлической поверхности в этих условиях. Видео / Авторские права: AG Magnussen www.uni-kiel.de/download/pm/2015/2015-135-4.mp4