Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Is the boundary layer of an ionic liquid equally lubricating at higher temperature?
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Chemistry, Surface and Corrosion Science.ORCID iD: 0000-0003-2773-3573
SP Technical Research Institute Sweden, Sweden.ORCID iD: 0000-0002-8935-8070
2016 (English)In: Physical Chemistry, Chemical Physics - PCCP, ISSN 1463-9076, E-ISSN 1463-9084, Vol. 18, no 13, 9232-9239 p.Article in journal (Refereed) PublishedText
Abstract [en]

Atomic force microscopy has been used to study the effect of temperature on normal forces and friction for the room temperature ionic liquid (IL) ethylammonium nitrate (EAN), confined between mica and a silica colloid probe at 25 degrees C, 50 degrees C, and 80 degrees C. Force curves revealed a strong fluid dynamic influence at room temperature, which was greatly reduced at elevated temperatures due to the reduced liquid viscosity. A fluid dynamic analysis reveals that bulk viscosity is manifested at large separation but that EAN displays a nonzero slip, indicating a region of different viscosity near the surface. At high temperatures, the reduction in fluid dynamic force reveals step-like force curves, similar to those found at room temperature using much lower scan rates. The ionic liquid boundary layer remains adsorbed to the solid surface even at high temperature, which provides a mechanism for lubrication when fluid dynamic lubrication is strongly reduced. The friction data reveals a decrease in absolute friction force with increasing temperature, which is associated with increased thermal motion and reduced viscosity of the near surface layers but, consistent with the normal force data, boundary layer lubrication was unaffected. The implications for ILs as lubricants are discussed in terms of the behaviour of this well characterised system.

Place, publisher, year, edition, pages
Royal Society of Chemistry, 2016. Vol. 18, no 13, 9232-9239 p.
National Category
Physical Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-185603DOI: 10.1039/c5cp05837fISI: 000373000100049PubMedID: 26976694ScopusID: 2-s2.0-84962045180OAI: oai:DiVA.org:kth-185603DiVA: diva2:924203
Funder
Swedish Research Council, VR 621-2011-4361Knut and Alice Wallenberg Foundation, KAW 2012.0078
Note

QC 20160428

Available from: 2016-04-28 Created: 2016-04-25 Last updated: 2016-05-18Bibliographically approved
In thesis
1. Ionic liquids: The solid-liquid interface and surface forces
Open this publication in new window or tab >>Ionic liquids: The solid-liquid interface and surface forces
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Ionic liquids (ILs) present new approaches for controlling interactions at the solid-liquid interface. ILs are defined as liquids consisting of bulky and asymmetric ions, with a melting point below 373 K. Owing to their amphiphilic character they are powerful solvents but also possess other interesting properties. For example, ILs can self-assemble and are attracted to surfaces due to their charged nature. As a result, they are capable of forming nanostructures both in bulk and at interfaces. This thesis describes how the solid-IL interface responds to external influences such as elevated temperatures, the addition of salt and polarisation. An improved understanding of how these factors govern the surface composition can provide tools for tuning systems to specific applications such as friction.

Normal and friction forces are measured for ethylammonium nitrate (EAN) immersed between a mica surface and a silica probe, at different temperatures or salt concentrations. The results demonstrate that an increase in temperature or low concentrations of added salt only induce small changes in the interfacial structure and that the boundary layer properties remain intact. In contrast, at sufficiently large salt concentrations the smaller lithium ion prevails and the surface composition changes. The interfacial layer of a similar IL is also investigated upon the addition of salt and the results reveal that lithium ions affect the surface composition differently depending on the ion structure of the IL. This demonstrates that the surface selectivity strongly depends on the ion chemistry.

Remarkably, a repulsive double layer force manifests itself for EAN at 393 K, which is not observed for lower temperatures. This indicates a temperature dependent change in EAN’s microscopic association behaviour and has general implications for how ILs are perceived.

A new method is developed based on a quartz crystal microbalance to investigate how the surface compositions of ILs respond to polarisation. The approach demonstrates that interfacial layers of both a neat IL and an IL dissolved in oil can be controlled using potentials of different magnitudes and signs. Furthermore, the method enables two independent approaches for monitoring the charges during polarisation which can be used to quantify the surface composition. The technique also provides information on ion kinetics and surface selectivity.

This work contributes to the fundamental understanding of the solid-IL interface and demonstrates that the surface composition of ILs can be controlled and monitored using different approaches.

Abstract [sv]

Jonvätskor möjliggör nya tillvägagångssätt för att kontrollera interaktioner vid gränsskiktet mellan fasta ytor och vätskor. Jonvätskor definieras som vätskor som består av stora och asymmetriska joner med en smältpunkt under 373 K. På grund av sin amfifila karaktär är de starka lösningsmedel men har också andra intressanta egenskaper. Jonvätskor kan till exempel självorganisera sig och attraheras till ytor på grund av sin laddning. En följd av detta är att de bildar nanostrukturer både i bulk och på ytor. Denna avhandling beskriver hur gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor svarar på yttre påverkan såsom en ökning i temperatur, tillsättning av ett salt samt polarisering. En ökad förståelse för hur dessa faktorer styr ytkompositionen av jonvätskor kan bidra med verktyg för att kontrollera system till specifika applikationer såsom friktion.

Normala- och friktionskrafter mäts för etylammonium nitrat (EAN) mellan en glimmeryta och en kolloidprob vid olika temperaturer eller saltkoncentrationer. Resultaten visar att en ökning av temperatur eller låga koncentrationer av tillsatt salt bara marginellt framkallar ändringar i strukturen på gränsytan och att det adsorberade lagret förblir intakt. När saltkoncentrationen emellertid var tillräckligt hög får den mindre litiumjonen överhanden och ytsammansättningen ändras. Ytlagret av en liknande jonvätska undersöks också vid tillsättning av salt och resultaten avslöjar att litiumjoner påverkar ytsammansättningen annorlunda beroende på jonstrukturen av jonvätskan. Detta visar att ytselektiviteten starkt beror på jonkemin.

En repulsiv dubbellagerkraft yttrar sig anmärkningsvärt för EAN vid 393 K vilket inte observeras vid lägre temperaturer. Detta indikerar en ändring i EANs mikroskopiska sammansättningsbeteende och har generella återverkningar för hur jonvätskor uppfattas.

En ny metod har utvecklats baserad på en kvartskristall mikrovåg för att undersöka hur ytsammansättningen av jonvätskor reagerar på polarisering. Denna metod visar att det adsorberade lagret av både en ren jonvätska och en jonvätska löst i olja kan kontrolleras genom att applicera spänningar med olika tecken och storlekar. Dessutom möjliggör metoden två oberoende tillvägagångssätt för att övervaka laddningarna under polarisering vilket kan användas för att kvantifiera ytsammansättningen. Tekniken ger också information om jonkinetik och ytselektivitet.

Detta arbete bidrar till den grundläggande förståelsen av gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor och visar att ytsammansättningen av jonvätskor kan kontrolleras och övervakas med olika tillvägagångssätt.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. 75 p.
Series
TRITA-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 25
Keyword
Ionic liquids, solid-liquid interface, surface forces, nanotribology, atomic force microscopy, quartz crystal microbalance, Jonvätskor, gränsskiktet mellan fasta ytor och vätskor, ytkrafter, nanotribologi, atomkraftsmikroskopi, kvartskristallmikrovåg
National Category
Physical Chemistry Materials Chemistry Nano Technology
Research subject
Chemistry
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-186267 (URN)978-91-7595-996-2 (ISBN)
Public defence
2016-06-10, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research CouncilKnut and Alice Wallenberg Foundation
Note

QC 20160518

Available from: 2016-05-18 Created: 2016-05-09 Last updated: 2016-05-18Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Search in DiVA

By author/editor
Hjalmarsson, NicklasRutland, Mark W.
By organisation
Surface and Corrosion Science
In the same journal
Physical Chemistry, Chemical Physics - PCCP
Physical Chemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Altmetric score

Total: 24 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link