Cairan yang mengandung ion atau molekul polar ada di mana-mana dalam banyak aplikasi yang diperlukan untuk teknologi hijau seperti penyimpanan energi, elektrokimia, atau katalisis. Ketika cairan tersebut dibawa ke antarmuka seperti elektroda – atau bahkan dikurung dalam bahan berpori – mereka menunjukkan perilaku tak terduga yang melampaui efek yang sudah diketahui. Eksperimen baru-baru ini telah menunjukkan bahwa sifat-sifat bahan yang digunakan, yang dapat berupa isolasi atau logam, sangat mempengaruhi perilaku termodinamika dan dinamis dari cairan ini. Untuk menjelaskan lebih lanjut tentang efek ini, fisikawan di University of Stuttgart, Université Grenoble Alpes dan Sorbonne Université Paris telah mengembangkan strategi simulasi komputer baru menggunakan cairan virtual yang memungkinkan interaksi elektrostatik dalam material apa pun untuk diperhitungkan sementara secara komputasi cukup efisien untuk mempelajari sifat-sifat cairan pada antarmuka tersebut. Metode baru sekarang memungkinkan untuk pertama kalinya mempelajari transisi pembasahan pada skala nano. Ini tergantung pada apakah cairan ionik bertemu dengan bahan yang memiliki sifat isolasi atau logam. Pendekatan terobosan ini memberikan kerangka teoritis baru untuk memprediksi perilaku yang tidak biasa dari cairan bermuatan, terutama dalam kontak dengan struktur logam berpori nano, dan memiliki aplikasi langsung di bidang penyimpanan energi dan lingkungan.
Representasi skematis dari logam tidak sempurna di mana ion dan muatan cerminnya yang tercoreng ditunjukkan:
Kredit gambar: Universitas Stuttgart / Alexander Schlaich
Terlepas dari peran kunci mereka dalam fisika, kimia dan biologi, perilaku cairan ionik atau dipolar di dekat permukaan – seperti bahan berpori – tetap membingungkan dalam banyak hal. Salah satu tantangan terbesar dalam deskripsi teoritis sistem tersebut adalah kompleksitas interaksi elektrostatik. Sebagai contoh, sebuah ion dalam logam sempurna menghasilkan counter-charge terbalik, yang sesuai dengan bayangan cermin negatif. Sebaliknya, tidak ada muatan bayangan yang diinduksi dalam isolator sempurna karena tidak ada elektron yang bergerak bebas. Namun, setiap real, yaitu, materi yang tidak diidealkan memiliki sifat-sifat yang terletak persis di antara dua asimtot yang disebutkan sebelumnya. Oleh karena itu, sifat logam atau insulasi bahan diharapkan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap sifat-sifat fluida yang berdekatan. Namun, pendekatan teoretis yang mapan mencapai batasnya di sini, karena mereka mengasumsikan bahan logam sempurna atau bahan isolasi sempurna. Sampai saat ini, ada kesenjangan dalam deskripsi ketika menjelaskan sifat permukaan yang diamati dari bahan nyata di mana muatan cermin cukup dioleskan.
Dalam makalah terbaru mereka, yang diterbitkan di Nature Materials, Dr. Alexander Schlaich dari University of Stuttgart et al. menyajikan metode simulasi skala atom baru yang memungkinkan untuk menggambarkan adsorpsi cairan ke permukaan sambil secara eksplisit mempertimbangkan distribusi elektron dalam bahan logam. Sementara metode umum mempertimbangkan permukaan yang terbuat dari bahan isolasi atau logam sempurna, mereka telah mengembangkan metode yang meniru efek perisai elektrostatik yang disebabkan oleh bahan apa pun di antara kedua ekstrem ini. Poin penting dari pendekatan ini adalah untuk menggambarkan interaksi Coulomb dalam bahan logam dengan cairan “virtual” yang terdiri dari partikel bermuatan ringan dan cepat. Ini menciptakan perisai elektrostatik dengan mengatur ulang dengan adanya cairan. Strategi ini sangat mudah diterapkan dalam lingkungan simulasi atomistik standar dan dapat dengan mudah ditransfer. Secara khusus, pendekatan ini memungkinkan perhitungan perilaku kapasitif sistem realistis seperti yang digunakan dalam aplikasi penyimpanan energi. Sebagai bagian dari keunggulan klaster SimTech di University of Stuttgart, Alexander Schlaich menggunakan simulasi bahan elektroda konduktif berpori tersebut untuk mengoptimalkan efisiensi superkapasitor generasi berikutnya, yang dapat menyimpan kepadatan daya yang sangat besar. Perilaku pembasahan larutan garam berair dalam bahan berpori yang realistis juga menjadi fokus kontribusinya pada Stuttgart Collaborative Research Center 1313 “Proses multi-bidang yang digerakkan oleh antarmuka dalam media berpori – aliran, transportasi, dan deformasi,” yang juga menyelidiki presipitasi dan penguapan proses yang berhubungan dengan salinisasi tanah. Metodologi yang dikembangkan dengan demikian relevan untuk berbagai sistem, serta untuk penelitian lebih lanjut di Universitas Stuttgart.
Sumber: Universitas Stuttgart
