Jak zamknięcie decyduje o zachowaniu materii miękkiej?
Zamykanie materii w małych przestrzeniach to ważny mechanizm występujący w organizmach żywych, w których ważne procesy zachodzą wewnątrz organelli otoczonych błonami, a nawet bezpośrednio na nich. Przestrzeń dostępna dla cząsteczek jest również ograniczona, gdy są one adsorbowane na powierzchni lub zamknięte wewnątrz porowatych skał lub gąbek, w których występują szczelinowate, cylindryczne lub przypominające sieć pory o rozmiarach mierzonych w nanometrach oraz w mikrometrach. ”Kapsydy wirusów są kolejnym przykładem zamknięcia materii w przestrzeni o wielkości poniżej 100 nm. Białka samoczynnie składają się w kapsyd, który przechowuje nić DNA lub RNA. Eksperci w dziedzinie materiałoznawstwa wykorzystują cząsteczki zgromadzone w niewielkich przestrzeniach do wytwarzania nowych materiałów o niezwykłych właściwościach, czyli tak zwanych metamateriałów”, zauważa koordynatorka projektu Alina Ciach. Zainspirowany kluczową rolą ograniczenia przestrzeni w przyrodzie finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt CONIN badał, jak różne rodzaje zamknięcia wzmacniają lub ograniczają spontaniczne powstawanie wzorców w różnych skalach długości i jak można je wykorzystać na potrzeby nowoczesnych technologii. Prace w ramach projektu realizowano dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Intrygujące zjawiska wynikające z zamknięcia samoorganizujących się cząstek
Adsorpcja to proces, który pozwala na zmianę właściwości powierzchni. „Adsorpcja naładowanych cząstek, które przyciągają się na niewielkich odległościach w obecności rozpuszczalnika, może być tłumiona przez ich odpychanie elektrostatyczne z dużej odległości. W efekcie skupiska zaadsorbowanych cząstek oddzielone pustymi regionami tworzą wzór przypominający koronkę złożoną z sześciokątów foremnych lub prążków. Dodanie drugiego rodzaju cząstek o odpowiednio dopasowanych oddziaływaniach prowadzi do powstania grubej, wzorzystej warstwy cząstek, która pokrywa powierzchnię niczym dwukolorowy gruby koc”, wyjaśnia Ciach. Zespół projektowy wykazał, że różny skład chemiczny, rozmiar i kształt ścian odpowiadających za ograniczenie przestrzeni może zniszczyć, wzmocnić lub zmodyfikować spontanicznie powstałe wzory cząstek, klastrów i jonów, lub spowodować powstanie zupełnie nowych wzorów. Te same wzorce badacze zaobserwowali odpowiednio skalując wielkość klastra w różnych układach – białkach globularnych, nanocząsteczkach oraz cząstkach koloidalnych. Dzięki temu wyniki uzyskane w ramach jednego procesu modelowania służą jako dane wejściowe do przewidywania właściwości różnych układów. Szczególnie zaskakujące zjawiska związane z ograniczaniem przestrzeni występują, gdy cząstki samoczynnie łączą się w cylindryczne skupiska przypominające kolumny. „Zachowują pełną elastyczność, a swoim zachowaniem przywodzą na myśl elastyczne liny lub gotowany makaron spaghetti. Jednocześnie są upakowane w sposób zależny od kształtu i wielkości obiektu, który je ogranicza. Wewnątrz cylindrów nasze spaghetti tworzy spirale”, zauważa Ciach.
Jak zamknięte jony mogą zwiększyć pojemność akumulatorów?
Ograniczony przepływ cieczy jonowych i elektrolitów stanowi podstawę efektywności i wydajności urządzeń do magazynowania energii. Elektrody porowate są doskonałym rozwiązaniem na potrzeby kondensatorów, ponieważ pojemność rośnie wraz ze zwiększaniem powierzchni. „W bardzo cienkich porach jony są blokowane przez zaadsorbowane kontr-jony, co znacznie spowalnia dynamikę ładowania. Wykorzystując symulacje komputerowe zbadaliśmy jak można przyspieszyć dynamikę ładowania poprzez wybór odpowiedniego protokołu ładowania. Staraliśmy się również zwiększyć energię i ładunek przechowywany w mezoporach poprzez mieszanie cieczy jonowej z neutralnym rozpuszczalnikiem oraz poprzez dobór odpowiednich elektrod jonofilowych/jonofobowych”, dodaje Ciach. W kondensatorach szczelinowych o jonofilowych ściankach, procesom jonizacji i dejonizacji zachodzącym przy zmianie napięcia lub temperatury towarzyszą skoki zmagazynowanej energii. Te różnice mogą być wykorzystane w zastosowaniach związanych z konwersją ciepła na energię elektryczną. Zespół ujawnił również korelację pomiędzy zdolnością do magazynowania energii a uporządkowaniem jonów wewnątrz nienaładowanego ultrawąskiego pora. Udowodnili, że uporządkowane struktury jonowe powodują zwiększenie napięcia ładowania, co prowadzi do zwiększenia gęstości energii. Opublikowane dotychczas rezultaty to tylko niewielka część osiągnięć projektu CONIN. Wszystkie wyniki badań zostały opublikowane na łamach wielu recenzowanych czasopismach naukowych.
Słowa kluczowe
CONIN, ograniczenie, magazynowanie energii, tworzenie wzorów, adsorpcja, ciecz jonowa, cząstki samoorganizujące się
