物理與光電工程學院麥文杰團隊在Nature Communications發表鹽水系統玻璃化轉變機制重要成果
暨南大學融媒體中心訊 近日，暨南大學物理與光電工程學院（理工學院）麥文杰科研團隊在國際權威學術期刊Nature Communications發表題為“Tailoring tetrahedral and pair-correlation entropies of glass-forming liquids for energy storage applications at ultralow temperatures”的研究成果。該研究發現了通過合理調控鹽水系統的水分子四面體轉動序及離子相關的二體平動序，可以繞過傳統結冰過程進入過冷態并實現最低的玻璃化轉變溫度，從而顯著提升低溫性能，揭示了水分子四面體熵及離子相關二體對熵協同調控鹽水系統玻璃化轉變溫度的物理圖像。博士后邱美佳和孫鵬副教授為論文共同第一作者，北京納米能源所王中林教授及本校物理與光電工程學院麥文杰教授為共同通訊作者，暨南大學為第一單位。
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純水及鹽水系統的相變過程與機制是凝聚態物理學科的重要研究課題。純水的玻璃形成能力極差，意味著在常規降溫過程一般會發生結冰。然而，通過鹽的引入，水分子可以在更慢的降溫速度下越過結冰點進入過冷態，并在極低的溫區發生玻璃化轉變過程。自然界中存在的純水極少，大多數都包含或多或少的離子。通過深入解析離子如何影響水的結冰行為將有望挖掘生命的起源等重要問題。此外，通過調節鹽溶質的種類和濃度，有望實現超低溫下（<-100 °C）保持過冷液態的鹽水溶液體系。麥文杰團隊此前利用不同陰離子的水結構破壞特征設計了具有最優的四面體熵水結構的抗凍鹽水系統，可實現低至-80°C不發生結冰（Nature Communications 2023, 14, 601）。然而，鹽的濃度如何有效影響鹽水系統的抗凍能力，尤其是過冷溫區極限處的玻璃化轉變溫度這一關鍵問題，目前相關研究領域仍未有較好的理解和認識。
基于鹽水溶液體系非平衡相圖（圖1a）可知，要避開水結冰的區域，需要篩選合適濃度的鹽，在降溫過程中直接由液體狀態進入過冷態，并最終發生玻璃化轉變。針對上述領域難題，麥文杰教授帶領研究團隊通過選擇具有超高溶解度的CsAc鹽進行探究，提出調控鹽的濃度構造良玻璃形成液的創新思路，從而有效繞過鹽水系統的結冰過程，實現可控優化玻璃化轉變溫度。在CsAc鹽濃度為10 mol L-1時，其具有最低的玻璃化轉變溫度（-128 °C）和最優的低溫動力學性質。
圖1.不同濃度CsAc鹽水系統的熱力學及變溫下動力學性質探究
研究團隊從理論計算層面采用分子動力學模擬的方法進一步分析了不同濃度CsAc電解液的溶劑化結構分布特性（圖2），并細致統計了與水分子結構序相關的四面體熵以及與離子相關的二體對熵（包括陰陽離子之間以及離子-水之間）情況，發現兩者在CsAc的濃度小于10 mol L-1之前呈現良好的線性依賴關系，而當濃度大于10 mol L-1，四面體熵的增長趨于飽和，而和離子相關的二體對熵開始對水溶液的相轉變行為占主導作用，因此明顯偏離線性關系。由此，在四面體結構水分子的轉動序、離子與水及陰陽離子對的二體平動序共同協調平衡下，10 mol L-1的CsAc鹽水系統是玻璃化形成能力發生突變的轉折點，由差玻璃形成體轉變為良玻璃形成體，且此時其玻璃形成能力最強。
圖2.不同濃度CsAc鹽水系統的模擬計算及特征過剩熵統計分析結果
值得一提的是，經熱力學熵調控視角設計的玻璃形成液鹽水系統，可實現-95 °C超低溫下各類儲能器件和新型電子濾波裝置的高效穩定工作，展現出這種超低溫鹽水系統的廣闊應用前景。因此，該研究既從理論層面解析了非純水系統發生玻璃化轉變行為的熱力學熵調控機制，同時也成功應用于各類低溫能源存儲器件，因此在凝聚態物理和能源物理等領域均取得了可喜進展。該研究得到國家自然科學基金項目、廣東省自然科學基金等項目的支持。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54449-x
責編：蘇倩怡