En ny forståelse af ioniske interaktioner med grafen og vand

Et forskergruppe ledet af ingeniører fra Northwestern University og forskere i Argonne National Laboratory har afdækket nye fund i rollen som ionisk interaktion inden for grafen og vand. Indsigten kan informere om designet af nye energieffektive elektroder til batterier eller levere rygraden ioniske materialer til neuromorfe computerapplikationer.

Kendt for at besidde ekstraordinære ejendomme, fra mekanisk styrke til elektronisk ledningsevne til befugtning af gennemsigtighed, grafen spiller en vigtig rolle i mange miljø- og energianvendelser, såsom afsaltning af vand, elektrokemisk energilagring, og energihøst. Vandmedierede elektrostatiske interaktioner driver de kemiske processer bag disse teknologier, gør evnen til at kvantificere interaktionerne mellem grafen, ioner, og ladede molekyler af vital betydning for at designe mere effektive og effektive iterationer.

"Hver gang du har interaktioner med ioner i materie, mediet er meget vigtigt. Vand spiller en afgørende rolle i formidlingen af ​​interaktioner mellem ioner, molekyler, og grænseflader, som fører til en række naturlige og teknologiske processer, "sagde Monica Olvera de La Cruz, Advokat Taylor Professor i materialevidenskab og teknik, der ledede forskningen. "Endnu, der er meget, vi ikke forstår om, hvordan vandmedierede interaktioner påvirkes af nanokonference i nanoskalaen. "

Ved hjælp af computermodelsimuleringer ved Northwestern Engineering og røntgenreflektivitetseksperimenter i Argonne, forskergruppen undersøgte interaktionen mellem to modsat ladede ioner i forskellige positioner i vand begrænset mellem to grafenoverflader. De fandt ud af, at interaktionsstyrken ikke var ækvivalent, når ionernes positioner blev udskiftet. Denne symmetribrud, som forskernes døbt ikke-gensidige interaktioner, er et fænomen, der ikke tidligere er forudsagt af elektrostatisk teori.

Forskerne fandt også, at interaktionen mellem modsat ladede ioner blev frastødende, da en ion blev indsat i grafenlagene, og den anden blev absorberet ved grænsefladen.

"Fra vores arbejde, man kan konkludere, at vandstrukturen alene nær grænseflader ikke kan bestemme de effektive elektrostatiske interaktioner mellem ioner, "sagde Felipe Jimenez-Angeles, seniorforsker i Northwestern Engineering Center for Computation and Theory of Soft Materials og en hovedforfatter på undersøgelsen. "Den ikke-gensidighed, vi observerede, indebærer, at ion-ion-interaktioner ved grænsefladen ikke adlyder de isotrope og translationelle symmetrier i Coulombs lov og kan være til stede i både polariserbare og ikke-polariserbare modeller. Denne ikke-symmetriske vandpolarisering påvirker vores forståelse af ion-differentieringsmekanismer, såsom ionselektivitet og ionspecificitet. "

"Disse resultater afslører endnu et lag til kompleksiteten af, hvordan ioner interagerer med grænseflader, "sagde Paul Fenter, en seniorforsker og gruppeleder i Chemical Chemical and Engineering Division i Argonne, der ledede undersøgelsens røntgenmålinger ved hjælp af Argonnes Advanced Photon Source. "Væsentligt, disse indsigter stammer fra simuleringer, der er valideret mod eksperimentelle observationer for det samme system. "

Disse resultater kan påvirke det fremtidige design af membraner til selektiv ionadsorption, der anvendes i miljøteknologier, ligesom vandrensningsprocesser, batterier og kondensatorer til opbevaring af elektrisk energi, og karakterisering af biomolekyler, ligesom proteiner og DNA.

Forståelse af ioninteraktion kan også påvirke udviklingen inden for neuromorfe computere - hvor computere fungerer som menneskelige hjerner til at udføre komplekse opgaver meget mere effektivt end nuværende computere. Litiumion kan opnå plasticitet, for eksempel, ved at blive indsat i eller fjerne fra grafenlag i neuromorfe enheder.

"Graphen er et ideelt materiale til enheder, der transmitterer signaler via ionisk transport i elektrolytter til neuromorfe applikationer, "sagde Olvera de la Cruz." Vores undersøgelse viste, at interaktionerne mellem interkalerede ioner i grafen og fysisk adsorberede ioner i elektrolytten er frastødende, påvirker mekanikken i sådanne enheder. "

Undersøgelsen giver forskere en grundlæggende forståelse af de elektrostatiske interaktioner i vandige medier nær grænseflader, der går ud over vandets forhold til grafen, hvilket er afgørende for at studere andre processer inden for det fysiske og videnskabelige.

"Graphene er en regelmæssig overflade, men disse fund kan hjælpe med at forklare elektrostatiske interaktioner i mere komplekse molekyler, ligesom proteiner, "sagde Jimenez-Angeles." Vi ved, at det er vigtigt, hvad der er inde i proteinet og de elektrostatiske ladninger uden for det. Dette arbejde giver os en ny mulighed for at udforske og se på disse vigtige interaktioner. "

Et papir, der beskriver værket, med titlen "Ikke-gensidige interaktioner induceret af vand i indeslutning, "blev offentliggjort den 17. november i tidsskriftet Fysisk gennemgangsforskning .