Nukleare teknikker afslører tunbarhed af membraner for forbedret elektrisk ledningsevne i grafen

ANSTO forskning har bidraget til en forståelse af iontransportmekanismen i grafen, et stærkt elektrisk ledende materiale, der er blevet undersøgt til brug i fleksibel elektronik og innovative former for energilagring og omdannelse.

Lille vinkel neutronspredning (SANS) ved hjælp af Quokka-instrumentet har bragt indsigt i, hvordan ioner transporteres på nanoniveau i stablede membraner af grafen, materialer, der har mange unikke egenskaber. Forskningen havde til formål at udvikle grafen til et mere alsidigt materiale.

Instrumentforsker Chris Garvey, som foretog SANS-målingerne på Quokka, og medforfattere fra Monash University har offentliggjort deres resultater i Videnskabens fremskridt .

Ved at bruge den komplementære kraft af neutronspredningseksperiment og computersimulering fandt de et robust kvantitativt forhold mellem de makroskopiske permeationsegenskaber af de grafenbaserede membraner og deres komplekse nanoslitstruktur.

De rapporterede, at både diffusionen af ​​ioner og elektrokinetiske effekter er forskellige, når længdeskalaerne mellem arkene er mindre end 10 nanometer.

Medforfatter og grafenpioner prof Dan Li, også fra Monash University, har tidligere udtalt, at udfordringen med at lave nyttige ting ud af grafen har været at overvinde dens tætpakket struktur, kun et atom tykt, for andre molekyler, såsom ioner, at interagere med det.

Fordi grafenplader er tilbøjelige til at genstikke i grafit, når de placeres tæt sammen, Prof Li udviklede en grafengelfilm som en stabil platform. Grafen kan bruges som en elektrode, når flydende elektrolytter tilføjes.

Forskerne samlede en bulk lagdelt grafenmembranstruktur med nanokanaler i en proces udviklet af hovedforfatteren Dr. Chi Cheng ved Monash Center for Atomically Thin Materials til undersøgelsen. Membranmaterialet rummer en række kaskadespalter. Ionerne skal bevæge sig gennem de små spalter i membranen.

Strukturelle ufuldkommenheder, højden af ​​nanospalterne (kanalstørrelse), den laterale størrelse af individuelle nanoark og mellemrummet mellem enderne af arkene, påvirke iontransport.

Til undersøgelserne, forskerne ændrede kanalstørrelsen fra 10 nanometer ned til mindre end en nanometer.

Analyse ved hjælp af SANS-målinger bekræftede, at nanorummet mellem arkene ikke kollapsede fuldstændigt, når de blev komprimeret, og de kaskadende nanospalter forbliver stort set kontinuerlige.

"Vi prøvede at forstå hullerne inde i nanoarkene, hvor ionisk væske strømmer igennem," sagde Garvey.

"Der er en ladning, der bevæger sig gennem membranen, som genererer en form for elektrisk felt, og som påvirker, hvordan ting transporteres gennem det, "sagde Garvey.

"De data, der hentes fra Quokka, er vildledende enkle, " forklarede Garvey. "For at få et detaljeret billede af materialet indebærer at indsnævre de strukturelle muligheder, hvilket er ret udfordrende."

Selvom målingen med kolde neutroner på Quokka kun tog halvanden dag, analysen udvidet til to år.

Analysen af ​​Quokka-data kan bruges til at undersøge længdeskalaer fra 1/10-del af en ångstrøm op til et par hundrede nanometer.

"Vi kan samtidigt 'se' på mange objekter, der strækker sig over det enorme udvalg af størrelser, det er kraften ved spredning af små vinkler, " sagde Garvey. "I modsætning til ægte rumbilleddannelse, såsom mikroskopi, er i stand til at se på få genstande i synsfeltet."

Mellemlagsafstand blev fundet at være det dominerende strukturelle indeks, der ændrede sig med komprimering af nanoarkene og påvirkede iondiffusion og elektrokinetiske effekter.

Ved længdeskalaer mindre end 10 nanometer, koncentrationsgradienten og det elektriske felt blev drevet af kanalstørrelse.

Ved længdeskalaer under to nanometer, forfatterne havde mistanke om, at komplekse kaskadende nanofluidiske kredsløb kan føre til de nye nano-begrænsede iontransportfænomener.

Resultaterne er ikke blevet observeret i traditionelle endimensionelle nanokanaler.

Monash University -teamet fandt ud af, at ved at manipulere svage interaktioner mellem tilstødende grafenlag, kan mellemlagsafstand justeres.

De udtænkte en række scenarier for iontransport gennem det kaskadende nanoslit-system, og hvordan det blev påvirket af strukturel geometri, hvilket stemte overens med forsøgsdata.

Simuleringer, der blev udarbejdet af forfatterne, foreslog, at materialet kunne gøres indstilleligt ved at justere størrelsen på afstandene i nanokanalerne.

"Selvom det var kendt, at adfærden af ​​iontransport begrænset i nanokanaler kunne være anderledes end i bulk, dette var ikke blevet udnyttet i forbindelse med en elektrisk ledende pore. Sådanne materialer baseret på grafen åbner spændende muligheder inden for materialevidenskab," sagde Garvey.