Dynamic heterogeneity in aqueous ionic solutions

文献情報

出版日 2018-07-31
DOI 10.1039/C8CP02787K
インパクトファクター 3.676
著者

Gan Ren, Lin Chen


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要旨

It is well known that supercooled liquids have heterogeneous dynamics, but it is still unclear whether dynamic heterogeneity also exists in aqueous ionic solutions at room or even higher temperatures. In this work, taking KSCN aqueous solutions as an example, we identify by molecular dynamics simulation that dynamics of ionic solutions at a finite concentration are heterogeneous at room and even higher temperatures. Our results indicate that thermal movements of K+ and SCN− deviate from the Gaussian distribution in time and space, as demonstrated by a non-Gaussian parameter and the self-van Hove function. The dynamic susceptibility is nonzero at intermediate times for both K+ and SCN−. The self-intermediate scattering function of ions decays in a stretched exponential way with an exponent smaller than one. The dynamics of the solution are more homogeneous at a higher temperature. Since transient ion clusters of different sizes decay with different lifetimes and exponents, we propose that the dynamic heterogeneity is introduced by transient cluster formation and dissociation in ionic solutions, which leads to a mixed relaxation scenario. Variants of the Stokes–Einstein relation are found to break down into a fractional form analogous to supercooled liquids, but the original Stokes–Einstein relation is indeed valid if taking into account the temperature dependence of the effective hydrodynamic radius. Overall, despite some quantitative differences, the dynamic heterogeneity in aqueous ionic solutions at room or higher temperatures is qualitatively analogous to that in supercooled liquids at a much lower temperature.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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