Virtuelles Fluid an Grenzflächen

Flüssigkeiten, die Ionen oder polare Moleküle enthalten, werden für viele grüne Technologien wie Energie­speicherung, Elektro­chemie oder Katalyse benötigt. Werden solche Flüssigkeiten an eine Grenzfläche wie beispielsweise eine Elektrode gebracht oder gar in einem porösen Material eingeschlossen, zeigen sie ein uner­wartetes Verhalten, das über die bereits bekannten Effekte hinausgeht. Jüngste Experi­mente haben gezeigt, dass die Eigenschaften des verwendeten Materials, das isolierend oder metallisch sein kann, das thermo­dynamische und dynamische Verhalten dieser Flüssigkeiten stark beeinflusst. 

Um diese Effekte näher zu beleuchten, haben Physiker der Universität Stuttgart, der Université Grenoble Alpes und der Sorbonne Université Paris eine neuartige Computer­simulations­strategie entwickelt, die eine virtuelle Flüssigkeit verwendet. Diese ermöglicht es, die elektro­statischen Wechsel­wirkungen mit jedem beliebigen Material zu berücksichtigen und ist gleichzeitig rechnerisch hinreichend effizient, um die Eigenschaften von Flüssig­keiten an solchen Grenzflächen zu untersuchen. Dank der neuen Methode konnten die Forschenden nun erstmals den Benetzungs­übergang auf der Nanoebene untersuchen. Dieser hängt davon ab, ob die ionische Flüssigkeit auf ein Material trifft, das isolierende oder metallische Eigen­schaften besitzt. Dieser Ansatz bietet einen neuen theoretischen Rahmen zur Vorhersage des unge­wöhnlichen Verhaltens geladener Flüssig­keiten, insbesondere in Kontakt mit nanoporösen metallischen Strukturen, und hat direkte Anwen­dungen in den Bereichen Energie und Umwelt.

Trotz ihrer Schlüssel­rolle in Physik, Chemie und Biologie bleibt das Verhalten ionischer oder dipolarer Flüssigkeiten in der Nähe von Oberflächen – wie beispiels­weise einem porösen Material – in vielerlei Hinsicht rätselhaft. Eine der größten Heraus­forderungen bei der theo­retischen Beschreibung solcher Systeme ist die Komplexität der elektro­statischen Wechsel­wirkungen. So erzeugt ein Ion in einem perfekten Metall eine umgekehrte Spiegel­ladung, welche dem negativen Spiegelbild entspricht. Im Gegensatz dazu werden in einem perfekten Isolator keine solchen Bild­ladungen induziert, da es keine frei beweglichen Elektronen gibt. Jedes reale Material besitzt aber Eigenschaften, die genau zwischen diesen beiden Möglich­keiten liegen. Dement­sprechend ist zu erwarten, dass die metallische oder isolierende Beschaffen­heit des Materials großen Einfluss auf die Eigenschaften des angrenzenden Fluids hat. 

Die etablierten theo­retischen Herangehens­weisen kommen hier jedoch an ihre Grenzen, da sie entweder von perfekten metallischen oder perfekt isolierenden Materialien ausgehen. Bis heute klafft eine Lücke in der Beschreibung, wenn es darum geht, die beobachteten Oberflächen­eigenschaften realer Materialien zu erklären, in denen die Spiegel­ladungen, vergleichbar dem Licht von Scheinwerfern, hinreichend ausgeschmiert sind. Alexander Schlaich und andere Forschende stellten nun eine neue Simulations­methode auf atomarer Skala vor, die es ermöglicht, die Anlagerung einer Flüssigkeit an einer Oberfläche zu beschreiben und dabei die Elektronen­verteilung im metallischen Material explizit zu berück­sichtigen.

Die von ihnen entwickelte Methode ahmt die Effekte der elektro­statischen Abschirmung nach, die von jedem Material zwischen den beiden Extremen metallisch und isolierend verursacht werden. Der wesent­liche Punkt dieses Ansatzes ist die Beschreibung der coulombschen Wechsel­wirkungen im metallischen Material durch eine virtuelle Flüssig­keit, die aus leichten und schnellen geladenen Teilchen besteht. Diese erzeugen eine elektro­statische Abschirmung, indem sie sich in Gegenwart der Flüssigkeit umor­ganisieren. Diese Strategie ist besonders einfach in jeder gängigen atomistischen Simulations­umgebung zu implementieren und kann leicht übertragen werden. Insbesondere ermöglicht dieser Ansatz die Berechnung des kapazitiven Verhaltens von realistischen Systemen, wie sie in Energiespeicher­anwendungen verwendet werden.

Im Rahmen des Exzellenz­clusters Daten-integrierte Simulations­wissenschaft (SimTech) an der Universität Stuttgart setzt Alexander Schlaich solche Simulationen von porösen, leitfähigen Elektroden­materialien ein, um die Effizienz der nächsten Generation von Super­kondensatoren zu optimieren, die eine enorme Leistungs­dichte speichern können. Das Benetzungs­verhalten von wässrigen Salzlösungen in realistischen porösen Materialien steht auch im Mittelpunkt seines Beitrags zum Stuttgarter Sonder­forschungsbereich 1313 „Grenzflächen­getriebene Mehrfeld­prozesse in porösen Medien – Strömung, Transport und Deformation“, in dem auch Ausfällungs- und Verdunstungs­prozesse im Zusammenhang mit der Boden­versalzung untersucht werden.

U. Stuttgart / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Schlaich et al.: Electronic screening using a virtual Thomas–Fermi fluid for predicting wetting and phase transitions of ionic liquids at metal surfaces, Nat. Mat., online 11. November 2021; DOI: 10.1038/s41563-021-01121-0
• Institut für Computerphysik (ICP), Universität Stuttgart
• Exzellenzcluster Simtech, Universität Stuttgart