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, с...

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.

— Мы с коллегами ожидаем, что явления, наблюдаемые в полупроводниках, будут обнаружены в ионных жидкостях комнатной температуры и найдут множество важных применений, — говорит профессор Николай Бриллиантов из Сколтеха.