Исследовательская группа профессора Ясуо Ямада и доцента Окубо Ацуши, Высшая школа инженерии Токийского университета, в сочетании с ионами лития, заключенными в межслоевом нанопространстве слоистых соединений под названием MXene (максин) в феврале 2019 года было объявлено, что некоторые молекулы воды обладают свойством «отрицательной диэлектрической проницаемости». Используя эту характеристику, можно будет разработать электрические двухслойные конденсаторы с высокой плотностью энергии (EDLC).
Это исследование было проведено совместно с директором исследовательской группы Отани в Национальном институте передовых промышленных наук и технологий (AIST) и Ясунобу Андо. EDLC может эффективно накапливать электричество, удерживая электроны и ионы в мельчайшем пространстве (нано пространстве) с высокой плотностью. В нанопространстве молекулы воды, связанные с ионами, также ограничены, но характеристики до сих пор не выяснены.
Исследовательская группа Yamada et al. Подготовила EDLC, используя различные ионы щелочных металлов, используя слоистое соединение, названное MXene, в качестве материала электрода, и измерила их электрическую двухслойную емкость. Было обнаружено, что когда ионы и молекулы воды удерживаются на расстоянии 1 нм или менее, емкость возрастает в следующем порядке: ион лития> ион натрия> ион калия> ион рубидия. Это необычное явление вопреки тенденции, предсказанной по радиусу гидратационного иона.
Чтобы выяснить это явление, Отани и др. Из AIST провели вычислительное моделирование, основанное на классической теории решений и первоосновных расчетах состояния, в котором ионы и молекулы воды заключены в межслоевом нанокосмосе MXene. В результате было обнаружено, что распределение электростатического потенциала, генерируемого в межслоевом нанопространстве, в значительной степени зависит от видов ионов.
По результатам экспериментов и моделирования была проанализирована корреляция между полученной емкостью и распределением электростатического потенциала. В результате стало ясно, что молекулы воды, заключенные вместе с «ионом лития» и «ионом натрия», имеют «отрицательную диэлектрическую проницаемость».
Это свойство резонирует с внешним электрическим полем с субнанометрической модуляцией, которая возникает между одновременно захваченными электронами и ионами лития молекул воды, захваченных в слоистом соединении. Из этого было обнаружено, что формируется аномальное распределение потенциала, которое демонстрирует диэлектрический отклик, называемый чрезмерным экранированием, и в нанопространстве создается внутреннее электрическое поле в обратном направлении к внешнему электрическому полю. С другой стороны, говорят, что «отрицательная диэлектрическая проницаемость» молекулы воды не может быть подтверждена «ионом рубидия» или «ионом калия», который имеет слабое взаимодействие с молекулой воды.
Явление противодействия внешнему электрическому полю, генерируемому между электронами и ионами, эквивалентно способности хранить электроны и ионы в нанопространстве с высокой энергией (разностью потенциалов). В результате стало возможным хранить больше электроэнергии. В частности, было подтверждено, что в EDLC с использованием иона лития может быть выполнено накопление в 1,7 раза по сравнению со случаем использования иона, не показывающего отрицательную диэлектрическую проницаемость.
Явление того, что электрическая емкость двойного слоя увеличивается, когда вода имеет отрицательную диэлектрическую проницаемость, подтверждается не только MXene, но также и другими слоистыми соединениями, такими как графен и слоистое соединение «MoS2».