لماذا تعتبر السوائل الأيونية فئة من المواد التي تغير قواعد اللعبة في الكيمياء والهندسة الحديثة؟

في المشهد المتطور باستمرار للمواد المتقدمة، السوائل الأيونية (إلس) ظهرت كفئة ثورية من المواد التي تتحدى التصنيفات التقليدية للسوائل والأملاح والمذيبات. ولكن ما الذي يجعل السوائل الأيونية فريدة من نوعها على وجه التحديد، ولماذا يُنظر إليها بشكل متزايد على أنها حجر الزاوية في تطوير التقنيات المستدامة، والكيمياء الخضراء، والأنظمة الكهروكيميائية من الجيل التالي؟

على المستوى الأساسي، السائل الأيوني هو الملح يتكون بالكامل من الأيونات الذي يبقى في الحالة السائلة عند درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية، حتى في درجة حرارة الغرفة في كثير من الأحيان. على عكس الأملاح التقليدية مثل كلوريد الصوديوم، والتي تتطلب درجات حرارة عالية للذوبان، تُصنع السوائل الأيونية عادةً من الكاتيونات العضوية الضخمة وغير المتكافئة (مثل إيميدازوليوم، بيريدينيوم، الأمونيوم) مقترنًا الأنيونات غير العضوية أو العضوية (مثل ثنائي (ثلاثي فلورو ميثيل سلفونيل) إيميد، PF₆⁻، BF₄⁻، أو الهاليدات). الأشكال غير المنتظمة والتنسيق الضعيف بين الأيونات تمنع التبلور وتؤدي إلى نقاط انصهار منخفضة مميزة.

تتنوع الخصائص الفيزيائية والكيميائية للسوائل الأيونية مثل تركيباتها الجزيئية القابلة للضبط. واحدة من أكثر السمات المميزة لهم هي ضغط بخار لا يذكر مما يجعلها غير متطايرة وبالتالي جذابة كبدائل صديقة للبيئة للمذيبات العضوية التقليدية. هذه الميزة وحدها وضعتهم في المقدمة مبادرات الكيمياء الخضراء ، حيث يمثل التخلص من المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) أولوية.

بالإضافة إلى كونها غير متطايرة، تظهر السوائل الأيونية استقرار حراري وكهروكيميائي استثنائي . يمكن أن تعمل العديد من أجهزة IL في درجات حرارة تتجاوز 200 درجة مئوية دون أن تتحلل، كما أن نوافذها الكهروكيميائية الواسعة (حتى 6 فولت في بعض الأنظمة) تجعلها إلكتروليتات مثالية في تطبيقات مثل بطاريات الليثيوم أيون، والمكثفات الفائقة، والطلاء المعدني . وتضفي طبيعتها الأيونية الجوهرية أيضًا موصلية أيونية عالية، خاصة في الأنظمة التي تتبخر فيها المذيبات التقليدية أو تتحلل في ظل ظروف قاسية.

ميزة هامة أخرى للسوائل الأيونية تكمن في الضبط الكيميائي . من خلال تعديل الكاتيون أو الأنيون، يمكن للعلماء ضبط الخصائص مثل اللزوجة، أو القطبية، أو المحبة للماء، أو حتى القدرة على التنسيق. وقد مكن هذا من إنشاء السوائل الأيونية الخاصة بمهمة محددة (TSILs) مصممة لأدوار انتقائية للغاية - على سبيل المثال، في احتجاز ثاني أكسيد الكربون، أو معالجة الكتلة الحيوية، أو تحفيز المعادن الانتقالية. إن نمطية ILs تجعلها نوعًا من "المذيبات المصممة" للبيئات الكيميائية المعقدة.

في مجال الانفصال والاستخراج توفر السوائل الأيونية العديد من المزايا مقارنة بالمذيبات التقليدية. إن قدرتها على إذابة مجموعة واسعة من المركبات العضوية وغير العضوية، إلى جانب عدم امتزاجها بالماء أو الهيدروكربونات (اعتمادًا على التركيب)، تتيح أنظمة استخلاص سائلة عالية الكفاءة. لقد تم استخدام ILs ل استعادة العناصر الأرضية النادرة، وإزالة مركبات الكبريت من الوقود، وحتى استخراج الجزيئات النشطة بيولوجيا من النباتات .

في الحفز تعمل ILs، كمذيبات ومحفزات مساعدة، على تعزيز انتقائية التفاعل والإنتاجية مع تبسيط فصل المنتج. تُظهر العديد من المجمعات المعدنية الانتقالية ثباتًا ونشاطًا محسّنين في وسائط IL. والجدير بالذكر أنه تم استخدام السوائل الأيونية في تفاعلات الهدرجة غير المتماثلة والألكلة والاقتران المتقاطع ، في كثير من الأحيان في ظل ظروف أكثر اعتدالا مما كانت عليه في الأنظمة التقليدية.

أحد أحدث التطبيقات للسوائل الأيونية هو مجال الأجهزة الكهروكيميائية وتخزين الطاقة . يتم دمج الشوارد المستندة إلى IL في بطاريات الليثيوم المعدنية، وبطاريات أيونات الصوديوم، والخلايا الشمسية الحساسة للصبغ (DSSCs)، وحتى إلكتروليتات الحالة الصلبة . يوفر خمولها الكهروكيميائي، وعدم قابليتها للاشتعال، وتحملها الحراري مزايا مهمة لتحسين سلامة وأداء أنظمة الطاقة.

على الرغم من وعدها، فإن السوائل الأيونية لا تخلو من التحديات. لا يزال تصنيع العديد من ILs مكلفًا على نطاق واسع، ويعاني البعض منها اللزوجة العالية ، مما يحد من معدلات النقل الجماعي. بالإضافة إلى ذلك، في حين يتم الترويج للـ ILs في كثير من الأحيان على أنها "مذيبات خضراء"، إلا أنها تحتوي على التحلل البيولوجي والسمية تختلف بشكل كبير اعتمادًا على الهيكل، ويظل التأثير البيئي طويل المدى مجالًا للبحث النشط. إن معالجة هذه المخاوف من خلال طرق التوليف الأكثر استدامة والتحليل الشامل لدورة الحياة سيكون أمرًا ضروريًا لاعتمادها على نطاق أوسع.

أصبح مستقبل السوائل الأيونية متعدد التخصصات بشكل متزايد. في علم المواد ، يتم استخدام ILs كمذيبات وقوالب في تركيب المواد النانوية والأطر المعدنية العضوية (MOFs) والبوليمرات الموصلة. في التكنولوجيا الحيوية فهي تتيح تثبيت الإنزيمات، واستخراج البروتين، وحتى معالجة الحمض النووي في ظل ظروف غير تقليدية. دورهم المحتمل في احتجاز الكربون واستخدامه (CCU) تكتسب التقنيات أيضًا زخمًا، خاصة بالنظر إلى ارتباطها بثاني أكسيد الكربون ومقاومتها الحرارية العالية.