🤔 Diese Experimente stellen ein grundlegendes Konzept der Thermodynamik in Frage

Ionenaustauschmembranen sind Materialien, die in vielen Industrien verwendet werden, beispielsweise zur Entsalzung von Meerwasser oder in Brennstoffzellen. Sie lassen bestimmte Ionen durch und blockieren andere, ähnlich wie ein intelligenter Filter. Eine aktuelle Studie stellt einige gängige Annahmen über ihre Funktionsweise in Frage.

Veröffentlicht in der Zeitschrift Asymmetry, zeigt diese Forschung, dass das übliche Modell zum Verständnis dieser Membranen nicht immer den klassischen Gesetzen der Physik folgt, insbesondere den Onsager'schen Reziprozitätsbeziehungen. Diese Entdeckung könnte die Art und Weise verändern, wie diese Materialien konzipiert werden.


Um diese Membranen zu untersuchen, vereinfachen Forscher oft ihre Struktur, indem sie sie durch ein leichter messbares Schema ersetzen. Dieses vereinfachte Modell verwendet kleine geladene Kügelchen, um die Ionen darzustellen. Dies macht die Berechnungen praktischer, führt aber manchmal zu seltsamen Ergebnissen.

Die durchgeführten Experimente mit verschiedenen Membrantypen zeigten, dass bei zunehmender Ionenkonzentration einige Verhaltensweisen asymmetrisch werden. Das bedeutet, dass bestimmte Reaktionen in die eine Richtung nicht gleich sind wie in die andere. Dies betrifft vor allem die Art und Weise, wie Wasser und Ionen die Membran durchdringen.

In ihren Tests maßen die Forscher verschiedene Flüsse: Wasser, elektrische Ladungen und gelöste Substanzen. Sie wandten auch verschiedene Kräfte wie Druck und Konzentrationsunterschiede an. Dabei stellten sie fest, dass die Ergebnisse nicht immer mit den Erwartungen übereinstimmten.

Diese Abweichung zwingt dazu, die Art und Weise zu überdenken, wie die Leistung dieser Membranen gemessen und vorhergesagt wird. Ohne dies riskiert man, ihr Funktionieren falsch zu verstehen.

Die Onsager'schen Reziprozitätsbeziehungen werden nicht eingehalten

In der Physik besagen diese Beziehungen, dass die Auswirkungen einer Kraft auf einen Fluss in beide Richtungen gleich sein müssen. Beispielsweise sollte eine Konzentrationsdifferenz, die einen elektrischen Strom antreibt, den gleichen Effekt haben wie eine elektrische Spannung, die Ionen bewegt. Es handelt sich um eine Symmetrieregel.

Die Forscher entdeckten, dass diese Symmetrie nicht immer eingehalten wird. Dies könnte auf Wechselwirkungen innerhalb der Membranen zurückzuführen sein.