Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

Elektrolyte sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen in einer Flüssigkeit bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissen­schaftler des MPI für Polymer­forschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikro­skopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurück­führen lässt.

Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv und negativ geladene Ionen, die sich im Wasser frei bewegen können: Es entsteht eine Elektro­lyt­lösung. Durch elektrische Spannungen lassen sich diese geladenen Teilchen innerhalb der Lösung trans­portieren und sorgen somit für einen elektrischen Strom. Dies stellt die Basis für die Techno­logie von Batterien oder die Energie­speicherung in lebenden Zellen dar. Um Ströme innerhalb von Batterien zu vergrößern ist es notwendig, auch die Anzahl der gelösten Ionen zu erhöhen. In diesem Fall stoßen aber Ionen immer häufiger auf andere Ionen in der Flüssigkeit, was zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands führt.

Um höhere Ströme in Elektrolyt­lösungen erreichen zu können, haben Wissen­schaftler des MPI für Polymer­forschung um Johannes Hunger und Yuki Nagata Elektro­lyt­lösungen sowohl experi­mentell als auch in Computer­simula­tionen unter­sucht. In einer Kooperation mit Wissen­schaftlern aus Berlin und Graz haben sie hierfür die mikro­skopische Bewegung von Ionen experi­mentell unter­sucht. Sie konnten zeigen, dass die Ionen – bevor sie sich in der Flüssigkeit bewegen können – zunächst von den sie umgebenden Molekülen wie in einer Art Käfig fest­ge­halten werden, und inner­halb dieses Käfigs hin- und herschwingen. Diese ultra­schnelle Bewegung, die zwischen 1000 Milliarden und 10000 Milliarden Mal pro Sekunde von­statten­geht, konnten Sie mit Hilfe von ultra­kurzen Laser­pulsen analysieren.

Sie konnten damit nachweisen, dass die maximale Auslenkung der Ionen eine Aussage darüber erlaubt, wie hoch der später mögliche elektrische Strom ist. Diese experi­men­tellen Erkenntnisse konnten sie auch mit Computer­simula­tionen bestätigen. Somit konnten sie ein über hundert Jahre altes Rätsel lösen: Der Wider­stand einer Elektro­lyt­lösung hängt nämlich neben der Anzahl der Ionen auch von deren Größe und Form ab. Die Wissen­schaftler konnten nun zeigen, dass der Wider­stand auf unter­schied­liche Käfige und Käfig­schwingungen zurück­ge­führt werden kann.

Solche molekularen Einblicke in die Bewegung von Ionen sind essentiell, um den Transport von Ladungen in Elektro­lyten zu verstehen. Die Experimente zeigen, dass eine Elektro­lyt­lösung umso besser leitet, je stärker die Ionen in ihrem Käfig schwingen: Je stärker die Ionen im Käfig schwingen umso stärker rütteln sie an ihrem Käfig und können somit leichter aus dem Käfig ausbrechen.

MPI-P / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  V. Balos et al.: Macroscopic conductivity of aqueous electrolyte solutions scales with ultrafast microscopic ion motions,Nat. Commun. 11, 1611 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-15450-2
• FG Liquid Dynamics (J. Hunger), Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz