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水分子在质子传导材料中的行为方式对于理解并充分利用其特性非常重要。这意味着能够查看非常快速的快照以捕捉水运动的变化。

大阪大学的研究人员利用准弹性中子散射(QENS)仔细研究了半笼形水合物晶体。文章“准弹性中子散射研究四正丁基溴化铵半笼形水合物中水分子的快速动力学”发表在《应用物理快报》上。

半笼形水合物具有水分子框架，在其结构中容纳其他分子或离子作为“客体”。因此，可以通过引入不同的来宾来控制和定制框架的整体属性，以满足特定的要求。

然而，一些最好的质子导体是高酸性溶液，难以处理。因此需要固体电解质替代品。四正丁基溴化铵(TBAB)半笼形水合物被认为是一种有前途的固体电解质，但其性能背后的机制尚不清楚。

研究人员使用QENS仔细研究了TBAB半笼形水合物中的水分子动力学。与其他技术相比，这使得能够在更短的时间内捕获水分子的运动，从而更清晰地了解正在发生的情况。

“半笼形水合物中质子的转移被水分子悬浮，”该研究的主要作者JinShimada解释道。“水分子重新定向的方式——它们的重新定向运动——然后告诉我们什么可能影响传导。”

QENS表明，晶体中的水分子在比之前测量的时间短得多的时间内非常迅速地重新定向。此外，促进变化所需的能量与打破氢键所需的能量一致，氢键是客体离子和水分子之间发生的相互作用类型。

据信，形成TBAB一部分的大溴离子会激活水，使其表现得像水溶液中溴化物周围的那样。

“我们对TBAB半笼形水合物的了解为未来的创新奠定了良好的基础，”资深作者TakeshiSugahara说道。“我们相信这些发现将有助于电池和蓄热材料的开发。”

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