Ion Transport Enhancement in Charge-Regulating Hydrogels

作者
Pierre J. Walker,David Beyer,Christian Holm,Zhen‐Gang Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c12908
摘要

Weak polyelectrolyte hydrogels are emerging as a versatile platform for ion transport and separation, desalination, and energy applications. However, a predictive understanding of how dynamic charge regulation at the nanoscopic scale influences ionic mobility in these polymer networks remains elusive. Here, using large-scale molecular simulations, we dissect the coupled mechanisms governing small-ion transport in weak polyelectrolyte hydrogels, and reveal how charge density, competitive binding, and dynamic charge regulation jointly control ion mobility. By systematically isolating these effects, we uncover a pronounced nonmonotonic dependence of ion self-diffusion on hydrogel pKa and salt concentration for multivalent ions. Strikingly, allowing the hydrogel backbone to dynamically regulate its charge eliminates this nonmonotonicity and leads to dramatic enhancements in ion mobility, with diffusion coefficients increasing by more than a factor of 2 for trivalent ions. We attribute this effect to a protonation-assisted hopping mechanism that continuously remodels the local electrostatic landscape, providing an additional molecular-scale pathway for ion unbinding beyond translational escape and accelerating ion-pair kinetics without affecting the fraction of free ions. Our results demonstrate that dynamic nanoscale charge regulation can decouple ion mobility from equilibrium binding strength, offering a powerful design lever unavailable in fixed-charge materials. Building upon these insights, we propose simple molecular design principles for next-generation ion-conducting hydrogels and suggest alternative strategies for nanostructured membranes, energy materials, and biologically inspired charge-adaptive soft matter.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
1秒前
辞南完成签到,获得积分10
2秒前
2秒前
wxj发布了新的文献求助20
2秒前
爱学习的鱼完成签到,获得积分10
2秒前
叶子发布了新的文献求助10
3秒前
3秒前
3秒前
SciGPT的应助被美丽的一凤采纳,获得10
4秒前
Hang发布了新的文献求助10
5秒前
王婷完成签到,获得积分10
5秒前
JamesPei的应助被无限尔云采纳,获得10
5秒前
小何发布了新的文献求助10
6秒前
6秒前
6秒前
6秒前
7秒前
Joyce发布了新的文献求助10
8秒前
8秒前
梁白开发布了新的文献求助10
8秒前
NexusExplorer的应助被研友_LOoomL采纳,获得10
8秒前
小怪不怪完成签到,获得积分10
9秒前
9秒前
wwq完成签到,获得积分10
9秒前
慢慢完成签到,获得积分10
9秒前
小源完成签到,获得积分20
10秒前
Discovery完成签到 ,获得积分10
10秒前
徐小美完成签到,获得积分20
10秒前
10秒前
伍小星完成签到 ,获得积分20
11秒前
zz完成签到,获得积分10
11秒前
bigalexwei完成签到,获得积分10
11秒前
11秒前
11秒前
11秒前
12秒前
Yummy发布了新的文献求助20
13秒前
Jagg_er发布了新的文献求助10
13秒前
南西发布了新的文献求助10
13秒前
小清完成签到,获得积分10
14秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Energie-Contracting 1500
Spec 401: Standards for Jet Fuel Facility and Equipment Commissioning and Flushing at Airports, 2026.1 (Original Issue) 1000
Spec 103: Standard for Jet Fuel Quality Control at Airports, Revision 2026.1 1000
Mathematical models in hydrology 1000
Klimaschutzrecht durch den Energiesektor im Mehrebenensystem – Ein Rechtsvergleich 1000
Erzählte Gnade 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 计算机科学 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 物理 复合材料 内科学 催化作用 光电子学 人工智能 细胞生物学 无机化学 物理化学 数学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 8086965
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9500651
关于积分的说明 21420432
捐赠科研通 7658313
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3403461
关于科研通互助平台的介绍 2532276
邀请新用户注册赠送积分活动 2441933