科學家發現1931年熱力學原理遭違反 離子交換膜模型挑戰經典理論

最新研究發現，離子交換膜的細胞模型在特定條件下會違反「昂薩格倒易關係」，這項發表於《不對稱》期刊的突破性成果，動搖了非平衡態熱力學的基礎假設。研究特別指出，當電解質濃度較高時，這種違反現象尤為明顯，顯示必須重新審視傳統的傳輸係數對稱性假設。

離子交換膜在電化學與分離程序中扮演關鍵角色，其傳輸特性的精確建模至關重要。研究團隊採用週期性晶格結構來簡化真實膜體的複雜組成，將隨機分佈的離子交換樹脂顆粒，模擬為由帶電多孔球體與電解質外殼構成的規整結構。這種創新的建模方式，讓研究人員能直接量測多孔層中電解質傳遞的各種熱力學參數。

實驗數據顯示，對於異質性MK-40與均質性MF-4SK陽離子交換膜，當氯化鈉溶液濃度低於0.1M時，交叉動力學係數差異不大。然而在高濃度條件下，反向滲透係數L₁₃與毛細滲透係數L₃₁之間，以及電擴散係數L₂₃和L₃₂之間，都出現顯著的質性與量性差異。有趣的是，調控電滲現象的L₁₂與控制流動電流的L₂₁係數，即使在極高濃度下仍保持高度一致。

這項研究最重要的發現在於：細胞膜模型的動力學係數矩陣確實呈現不對稱性，這意味著昂薩格倒易關係在此情境下並不成立。研究團隊強調，由於交叉係數的不對稱特性，未來在測定膜體傳輸特徵時必須格外謹慎。這項突破不僅對基礎理論具有深遠影響，更將直接改變工業應用中膜材料的設計準則。

參考文獻：Anatoly Filippov，《帶電膜細胞模型中交叉動力學係數的不對稱性》，《不對稱》期刊，2025年4月11日。DOI: 10.55092/asymmetry20250003

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