Международная группа ученых, в состав которой входит исследователь из Сколтеха – профессор Николай Бриллиантов, выяснила как ионные жидкости проводят электрический ток. Понимание этих процессов открывает возможности широкого использования таких жидкостей в самых различных сферах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical review X.
Пример ионной жидкости комнатной температуры, состоящей из положительных (красных) и отрицательных (синих) органических ионов; схематически показана структура ионов.
Ионные жидкости, по сути, представляют собой жидкие соли. В то время как обычные жидкости, например вода или бензин, состоят из электрически нейтральных молекул, молекулы ионных жидкостей несут электрические заряды. Неорганические соли, такие, как, скажем, пищевая соль – это кристаллы, которые превращаются жидкость только при очень высоких температурах. Если же молекулы соли -- органические молекулы, их температура плавления невысока и они оказываются жидкими уже при комнатных температурах. Поэтому их называют «ионными жидкостями комнатной температуры».
Ионные жидкости комнатной температуры обладают многими удивительными свойствами: Они могут проводить электрический ток, подобно ртути или электролитам. В то же время, они не токсичны, не такие тяжелые, как ртуть, не летучие, как обычные электролиты, и могут выдерживать очень высокое электрическое напряжение. Также они химически устойчивы при высоких температурах, а их ионы практически не участвуют в электрохимических реакциях. Их легко смешивать друг с другом для использования полученных «коктейлей» как специальных растворителей. Это приводит к практически неограниченному числу разнообразных растворителей с необходимыми качествами. Все эти свойства ионных жидкостей делают их весьма перспективными для применения в энергетике в самых различных устройствах: от суперконденсаторов до топливных элементов и батарей. Последние могут быть весьма эффективными, экономичными, экологичными и мощными, что особенно важно, например, для робототехники. Используя футуристический жаргон, можно предположить, что описанные ионные жидкости могут в будущем стать «кровью роботов». Помимо этого, ионные жидкости могут быть также использоваться как гидравлические жидкости в гидравлических приводах. Это, в сочетании с их электрическими свойствами, открывает новые горизонты в робототехнике и опять указывает на уместность для таких ионных жидкостей термина -- «кровь роботов».
Физический механизм электропроводности ионных жидкостей комнатной температуры был предметом споров с самого момента их открытия. Ситуация выглядит действительно противоречивой: с одной стороны, ионные жидкости состоят из заряженных частиц (ионов), которые являются непосредственными носителями заряда. Их концентрация в такой жидкости очень высока, так как ионы плотно упакованы. Это, казалось бы, предполагает очень высокую проводимость. С другой стороны, когда положительные и отрицательные ионы объединяются, они нейтрализуют друг друга, подобно ионам натрия и хлора в пищевой соли. Благодаря плотной упаковке ионов образование нейтральных пар весьма вероятно. Нейтральные частицы не могут поддерживать электрический ток, поэтому проводимость должна исчезнуть. Истина, как обычно, где-то «посередине».
Чтобы раскрыть природу электропроводности в этих системах, международная группа ученых провела обширное моделирование ионных жидкостей комнатной температуры. Ученые из разных университетов, включая профессора Алексея Корнышева (Империал Колледж Лондон) и профессора Гуанга Фенга (Хуачжунский Университета Науки и Технологии), которые координировали исследования, разработали специальные вычислительные методы и теоретические подходы для изучения динамики частиц в ионных жидкостях комнатной температуры. Ключевую роль в разработке кинетической теории этих систем сыграл профессор Сколтеха Николай Бриллиантов.
Оказалось, что механизм электропроводности в таких жидкостях весьма необычен. Большую часть времени положительные и отрицательные ионы проводят в нейтральных парах или кластерах, где их электрический заряд компенсируется противоположными зарядами. Таким образом, образуется нейтральное вещество, которое не может проводить электричество. Однако, время от времени положительные и отрицательные ионы «рождаются» в различных местах жидкости, что делает ее проводящей. «Рождение» ионов происходит из-за тепловых колебаний (флуктуаций). Иными словами, некоторые ионы случайно получают «порцию» энергии из окружающей жидкости. Этот всплеск энергии приводит к разрушению связей с другими ионами и ион освобождаются. Тщательный анализ показал, что положительные и отрицательные ионы в основном рождаются парами. Энергия, необходимая для рождения пары ионов, имеет порядок тепловой энергии, равной средней кинетической энергии молекул. Правда, живут свободные ионы совсем недолго. Через некоторое время они возвращаются в связанное состояние, где они снова не способны проводить электричество. В этом состоянии они ждут нового «периода свободы». Механизм проводимости в ионных жидкостях напоминает эстафету с зарядом: возникающие свободные ионы поддерживают электрический ток и несут свой заряд до тех пор, пока «живы». Когда они «умирают», возвращаясь в нейтральное состояние, другие новые ионы продолжают эстафету, сохраняя проводимость жидкости и постоянный электрический ток. Можно провести удивительную параллель с кристаллическими полупроводниками, где положительные и отрицательные носители заряда - электроны и дырки также возникают парами из-за тепловых флуктуаций. Важное отличие, однако, в том, что электроны и дырки в полупроводниках не «реальные» частицы, а, по сути, коллективные возбуждения всего кристалла, которые ведут себя как частицы. Свободные же положительные и отрицательные ионы в ионных жидкостях - истинные частицы, несущие электрический заряд.
Как говорит профессор Николай Бриллиантов из Сколтеха, «Мы коллегами, ожидаем, что что явления, наблюдаемые в полупроводниках, будут обнаружены в ионных жидкостях комнатной температуры и найдут множество важных применений».
****************
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственное научно-образовательное учреждение. Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (МТИ), институт готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, развивает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром в новом тысячелетии. Сколтех строит свою работу, опираясь на опыт лучших российских и международных образовательных и исследовательских институтов. При этом особый акцент делается на преподавание навыков предпринимательской и инновационной деятельности. Сайт: http://www.skoltech.ru/
