Simpel grafenkaskade giver hidtil uset indsigt i nanoionik

Indtil nu, fænomenet iontransport i nanoskala er forblevet et mysterium for forskere. Seneste forskning fra Monash Center for Atomically Thin Materials (MCATM) ved Monash University har nu afsløret en ny, billig og pålidelig metode til at studere den måde, ioner bevæger sig gennem små, kanaler i nanostørrelse. Denne forskning kan indeholde nøglen til applikationer såsom energilagring med høj effekt, effektiv afsaltning, og bioelektronik såsom modulering af neural signalering.

Tidligere, studere nano-begrænset ionisk transport var kun mulig ved at skære nanokanaler i en proces kendt som fotolitografi. Denne metode var dyr, havde lave succesrater, og opløsningsgrænser. Imidlertid, ved at bruge en proces, der ligner papirfremstilling, forskere ved MCATM har udviklet en grafen-baseret teknik til at lave nanokanaler, hvilket er enkelt, billig og let skalerbar.

Ifølge den første forfatter til forskningen, Dr Chi Cheng, en postdoc-forsker fra MCATM, "Værket demonstrerer en ukonventionel måde at bruge grafen til at lave nanofluidiske enheder, et nyt forskningsværktøj, der kan indstilles i skalaer, der ikke kan opnås med noget andet materiale. Med dette, vi er i stand til at afsløre det grundlæggende, dog usædvanlig iontransportadfærd som en funktion af kanalstørrelsen på tværs af hele skalaerne under 10 nm længde."

Simpelthen ved at stable flere lag af grafenark, Dr Cheng og kolleger har skabt et makroskopisk membranmateriale, som rummer en serie af kaskadende nanoslits. De små åbninger i membranen er som en labyrint, som ionerne skal rejse igennem, derved giver forskerne mulighed for at begynde at forstå ionernes bevægelse under et restriktionsniveau under 10 nanometer.

Ved at manipulere de svage interaktioner mellem tilstødende grafenlag, mellemlagsafstanden kan let justeres. Kontraintuitivt, ioner er blevet set bevæge sig med en meget højere hastighed, efterhånden som afstanden falder, hastighed gennem de snoede stier mellem grafenlag under elektrisk potentiale.

Computersimuleringer var et uundværligt værktøj i Dr. Chengs undersøgelse, komplimenterer hans eksperimenter, som undersøgte de ioniske transportegenskaber i grafenmembranerne.

Lektor Dr. Jefferson Zhe Liu, en af ​​vejlederne for denne forskning med ekspertise i kontinuum og atomistiske simuleringer, sagde, at undersøgelsen afslører en unormal skaleringsrelation for iontransport i det unikke kaskadende nanoslit-system indesluttet i grafenmembraner.

"En kombination af justerbare grafenmembraner i eksperimenter og computersimuleringer giver os mulighed for at opnå en statistisk repræsentativ mikrostrukturmodel af de unikke kaskadende nanospalter i grafenmembraner, som ikke var opnået i tidligere undersøgelser, " sagde Dr Liu.

Forskningsleder og direktør for MCATM, Professor Dan Li, var begejstret for den potentielle effekt af denne udvikling.

"Nano-begrænset iontransport, eller nanoionics, er afgørende for nye teknologier relateret til energi, vand, og biomedicin. Det har været udfordrende at kvantitativt studere nanoionik på grund af manglen på nanoioniske materialer med funktionsstørrelsen, der kan indstilles på tværs af den kritiske nanometerskala. Den lette skalerbare produktion og fremragende strukturelle afstemning gør vores grafenmembraner lovende som en enestående eksperimentel platform til at udforske nye og spændende nanoioniske fænomener. Det gør det også meget nemt at overføre de grundlæggende opdagelser til teknologiske innovationer, muliggør ny generation af hi-tech inden for energilagring og -konvertering, membranseparation og biomedicinsk udstyr. Dette er et meget spændende område, vi planlægger at forfølge i de kommende år, " sagde professor Li.

Forskningen er publiceret i Videnskabens fremskridt .