模拟和实验揭示了盐水中水运动的前所未有的细节

根据纽约大学和索邦大学科学家领导的实验和模拟，在盐水溶液中，水分子以每秒超过一万亿次的速度围绕盐离子快速移动。

纽约大学化学系教授、该研究的资深作者之一阿列克谢·杰肖(AlexejJerschow)说：“盐溶液的意义远不止这些。”“当我们测量和模拟氯化钠离子和周围水分子的非常快的动力学时，这一点很明显。”

这项发表在《自然通讯》上的研究结果将使研究人员能够建立更可靠的模型来预测离子动力学，这些模型可用于从改进充电电池到核磁共振成像等各种科学领域。

离子无处不在，对生命至关重要。许多离子(例如钠和钾)普遍存在于人体中，并决定细胞活力、神经信号和组织的结构完整性。离子如何与溶剂相互作用也起着至关重要的作用;例如，可充电电池依赖于离子在电解质溶液中的运动。

水基溶液中的离子通常被四到六个水分子包围，但目前尚不清楚这些分子作为一个整体移动的程度以及水分子经历的运动量。以前使用的模型不足以捕捉水和离子之间的协同运动。

为了研究盐和水分子的运动，研究人员使用了核磁共振(NMR)光谱，这是一种通常用于确定分子结构的多功能工具，并将实验数据与详细的计算机模拟相结合，可以模拟周围的动力学原子尺度上的盐离子。

研究人员在各种浓度和温度下测试盐水，并结合实验数据和计算机模拟，观察到水分子以极快的速度围绕钠离子和氯离子摆动——每秒超过一万亿次。此外，之前假设离子与周围的溶剂分子作为一个整体一起运动，但实验表明情况并非如此;相反，水分子的摆动速度比离子水复合物快得多。

“我们发现实验和模拟之间非常吻合，这使我们能够建立可靠的离子动力学模型，”Jerschow说。

索邦大学和法国国家科学研究中心(CNRS)的本杰明·罗滕贝格(BenjaminRotenberg)表示：“我们现在正在转向更复杂的电解质以及固体表面附近发生的情况，将实验与模拟相结合将再次成为取得进展的关键。”该研究的另一位资深作者。

“我们预计这项工作可以在许多领域提供见解——从医学到能量存储——建立在对溶液中离子动力学的良好理解之上，”Jerschow补充道。