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Structure of Confined Salts and Ionic Liquids

English title Structure of Confined Salts and Ionic Liquids
Applicant van der Veen Friso
Number 156667
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.10.2014 - 30.04.2015
Approved amount 34'652.00
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Keywords (4)

Synchrotron X-ray scattering; Confined fluids; Solid-liquid interfaces; Surface Force Apparatus (SFA)

Lay Summary (German)

Lead
In der Natur sind wir von Wasser umgeben. Wasser ist nie rein, denn es enthält immer Salze. Wir finden Wasser in den winzigsten Poren von Felsen, im Boden und in Konstruktionsmaterialien vor. Bekanntlich verwittern und korrodieren diese Materialen unter der Einwirkung von der in den Poren eingeschlossenen Flüssigkeit, wobei die Menge und die räumliche Verteilung der Salz-Ionen innerhalb der Poren eine wichtige Rolle spielen. Es ist wichtig, die Beschaffenheit der porösen Materialien zu verstehen und womöglich zu verbessern.In unseren Untersuchungen, wird die Salzlösung zwischen zwei Oberflächen im Abstand von nur wenigen Nanometern eingeschlossen, und die Positionen der Salz-Ionen innerhalb der so gebildeten Schlitze werden mit Hilfe von Röntgenbeugung bestimmt. Die Resultate unserer Studien führen zum Verständnis über Prozesse, welche sich im Alltag tatsächlich direkt unter unseren Füssen abspielen.
Lay summary

Die Struktur von eingeschlossenen Salzlösungen auf der Nanometer-Skala

In der Natur sind wir von Wasser umgeben. Wasser ist nie rein, denn es enthält immer Salze. Wir finden Wasser in den winzigsten Poren von Felsen, im Boden und in Konstruktionsmaterialien vor. Bekanntlich verwittern und korrodieren diese Materialen unter der Einwirkung von der in den Poren eingeschlossenen Flüssigkeit, wobei die Menge und die räumliche Verteilung der Salz-Ionen innerhalb der Poren eine wichtige Rolle spielen. Viele Fragen zu eingeschlossenen Salzlösungen sind allerdings bisher unbeantwortet geblieben. Zum Beispiel, ist die eingeschlossene Salzlösung tatsächlich flüssig, oder ist sie kristallisiert? Sind die Salz-Ionen beweglich, d.h. können sie sich mit ihrer unmittelbaren Umgebung austauschen? Schwellt die Pore an? Eine Auseinandersetzung mit diesen Fragen ermöglicht es uns letztendlich, die Beschaffenheit der porösen Materialien zu verstehen, womöglich zu verbessern, oder sogar Verwitterung zu verhindern.

In unseren Untersuchungen, wird die Salzlösung zwischen zwei Mika-Oberflächen im Abstand von nur wenigen Nanometern* eingeschlossen, und die Positionen der Salz-Ionen innerhalb der so gebildeten Schlitze werden mit Hilfe von Röntgenbeugung bestimmt. Die Messungen sagen aus, ob sich die Moleküle innerhalb der Schlitze wie Soldaten in Schlachtordnung einordnen (so wie in einem Kristall) oder sich frei bewegen und willkürliche Positionen einnehmen. Ausserdem kann man bestimmen, ob jedes Salz-Ion von einer Schale von Wassermolekülen umgeben ist oder nicht. Mika ist in geologischen Formationen ein häufig vorkommendes Mineral. Die Resultate unserer Studien führen somit zum Verständnis über Prozesse, welche sich im Alltag tatsächlich direkt unter unseren Füssen abspielen.

* 1 Nanometer = 0.000000001 Meter

Direct link to Lay Summary Last update: 17.10.2014

Lay Summary (English)

Lead
We investigate the ordering behavior of molecules in salt solutions confined within ultra-narrow pores. The results of these studies are relevant for, e.g., the understanding of weathering and corrosion of geological rock formations and construction materials.
Lay summary

Water is all around us in Nature. Water is never pure but often is salty. We find it in the narrow pores present in geological rock, soil, and in building and road constructions. It is well-known that the weathering and corrosion of rock and construction materials are strongly influenced by the quantity and distribution of the salt ions within the pores and by their immediate chemical environment. The following questions arise. Is the salt solution within the narrow pore still liquid or crystallized? Can the salt ions move in and out of the pore? Does swelling of the pore occur? The answers to these questions have a direct bearing on the integrity of the materials in question and thus on our daily life.

We confine the salty solution between two flat mica surfaces at nanometer* distance and try to determine the positions of the salt ions within the extremely narrow slit thus formed. This will tell us whether the molecules (salt ions and water) within the mica slit will line up like in a regiment of soldiers (‘solid-like’) or whether they move more freely like in bulk solution. In addition, we can tell whether the salt ions are surrounded by a shell of water molecules or not. Mica is a mineral commonly found in geological formations, which makes our studies important for understanding the properties of salted water directly below our feet.

* 1 nanometer = 0.000000001 meter

Direct link to Lay Summary Last update: 17.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Name Institute

Employees

Name Institute

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr M. Heuberger (EMPA, ETH-Zürich) Switzerland (Europe)
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Rosa Espinosa-Marzal United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
135312 Structure of Water in Nano-Slit 01.09.2011 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Extreme confinement of a liquid affects its viscosity, transport properties and wetting behavior. Confined water and salt are cases of high societal and technological relevance. Basic questions are: to what extent does the liquid change its structure and ordering behavior under confinement? Can these structural rearrangements explain the property changes?The aim of the proposed research is to experimentally determine the structure of salt solutions and ionic liquids in a model confinement system: a nanometer-sized slit consisting of two opposing, atomically smooth mica membranes at nanometer distance. The density profile of the liquid along the confinement direction will be investigated with the use of synchrotron X-ray reflectivity. The confining mica surfaces are prepared in different chemical and charged states, and their effects on the liquid density profile are investigated. The chemical state of the salt solution, i.e., type of ion, ion concentration and ion hydration, may also have a profound effect on the density profile. Confinement-induced ordering phenomena within the liquid may shed light on phenomena as diverse as swelling of clay, frost heave, weathering phenomena, and ion transport through channels.
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