離子液體是室溫下呈液態(tài)的無溶劑電解液，離子液體的電霧化（electrospray ionization）在空間推進(jìn)、納米制造和質(zhì)譜分析等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。離子液體的純離子態(tài)（pure-ion mode）電霧化是一種新興技術(shù)，近年來在國際上引發(fā)廣泛關(guān)注，其離子束具有高荷質(zhì)比、高亮度和多樣可控的離子種類，有望解決應(yīng)用中長期面臨的挑戰(zhàn)。目前，離子液體的純離子態(tài)電霧化技術(shù)尚未達(dá)到應(yīng)用所需的高穩(wěn)定性和高效，學(xué)界尚不清楚其中的機(jī)理。 

中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納流體力學(xué)課題組副研究員蔣璽愷及合作者對離子液體電霧化進(jìn)行了研究。研究人員使用分子動力學(xué)模擬，研究了電場作用下，離子液體自由表面上的離子噴射特征與機(jī)理，探討了噴射電流和噴出物質(zhì)的成分隨電場的變化，發(fā)現(xiàn)分子模擬結(jié)果與經(jīng)典離子噴射理論結(jié)果一致，這是國際上首次使用分子模擬來驗(yàn)證經(jīng)典離子噴射理論。

模擬中噴出的物質(zhì)包括離子單體和二聚體，其占比與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。對于離子單體，在其噴出之前，除了需要跨越經(jīng)典理論考慮的液面上方能壘之外，模擬發(fā)現(xiàn)，它還需要跨越液面下方的一個能壘，該能壘源于離子液體獨(dú)特的液面結(jié)構(gòu)。對于二聚體，電場和離子間相互作用力對其占比具有重要影響。為了解釋不同成分的形成原因，研究人員進(jìn)一步使用副本交換分子動力學(xué)（replica exchange molecular dynamics）模擬，發(fā)現(xiàn)液面附近離子存在四種不同的亞穩(wěn)態(tài)，這些亞穩(wěn)態(tài)決定了噴出物質(zhì)的成分。  

該研究加深了學(xué)界對于離子液體電霧化的理解，為選擇滿足電霧化特定需求的離子液體提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果發(fā)表在J. Phys. Chem. Lett.上，研究工作得到中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目、戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）的支持。

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圖1 （左）分子動力學(xué)模擬系統(tǒng)示意圖，（右）離子液體[BMIM][PF6]的計算模型

圖2 （左）離子噴射電流與電場的關(guān)系，（右）離子液體液面上方離子的四種亞穩(wěn)態(tài)