Forskning viser overfladediffusion forbedret iontransport gennem todimensionelle kanaler

Materialeforskere har grundigt undersøgt hurtig iongennemtrængning i nanofluidkanaler i de seneste årtier på grund af deres potentiale inden for filtreringsteknologier og høst af osmotisk energi. Mens mekanismerne bag iontransport endnu ikke er forstået, kan processen opnås i nanokanaler udviklet på en nøje reguleret måde.

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Yu Jiang og et forskerhold i fysisk kemi af faste overflader i Kina beskrev udviklingen af ​​todimensionelle nanokanaler med deres top- og bundvægge indeholdende atomisk flade grafit- og glimmerkrystaller.

De distinkte vægstrukturer og egenskaber tillod undersøgelsen af ​​interaktioner mellem ioner og indre overflader. Holdet bemærkede forbedret iontransport inden for kanalerne, der er størrelsesordener hurtigere end i bulkløsninger, hvilket giver indsigt i overfladeeffekter på iontransport på nanoskala.

Iontransport i nanoskala

Mekanismer for iontransport i nanoskala kan overgå deres modparter i makroskala på grund af deres transporthastigheder. Eksempler omfatter hurtig ionstrøm gennem proteinkanaler i cellemembraner i en proces, der er kritisk for livets væsentlige funktion. Disse omfatter iongennemtrængning gennem nanoporøse membraner til vandrensning, ionadskillelse og osmotisk energiproduktion. For at forstå mekanismerne bag hurtig iontransport på nanoskala skal forskere skabe nanokanaler med velreguleret geometri og indre strukturer.

Yu Jiang og teamet undersøgte oprindelsen af ​​hurtig iontransport inden for nanokanaler, der indeholder ionadsorptionssteder i det indre. Det forenklede design minimerer risikoen for at forurene kanalernes indre med kemikalier og polymerer under fremstillingen for at studere adsorptionseffekter på uberørte overflader.

Under eksperimenterne samlede Jiang og kolleger mekanisk eksfolierede grafit- og glimmerkrystaller og overførte dem til en åbning på siliciumsubstrater. De justerede grafit/glimmer-heterostrukturerne med åbningen til det øverste grafitlags dæksel, mens det nederste lag flugtede med åbningen ved deres kanter som bestemt af overførselsmetoden.

Forskerne brugte et atomkraftmikroskop til at måle tykkelsen af ​​den øverste grafit på glimmer i vandige opløsninger. De målte derefter middelhøjden af ​​glimmer- og grafitoverflader i kanalområdet. Da grafit- og glimmerlag kan delaminere ved høje saltkoncentrationer på 2 M med relativt store ionstrømme gennem kanalerne, brugte de opløsninger med saltkoncentrationer lig med eller mindre end 0,1 M til eksperimentel nøjagtighed.

Yderligere eksperimenter

Forskerne estimerede den effektive højde af kanalerne set af ioner og bekræftede højden karakteriseret ved atomkraftmikroskopi. Under eksperimenterne fyldte de de to reservoirer med forskellige kloridopløsninger på henholdsvis 0,1 M og 0,01 M koncentrationer for at skabe en koncentrationsgradient.

Jiang og kolleger undersøgte overfladevirkningerne af kanalens indre på iontransport og målte kaliumchlorids ioniske ledningsevne som funktion af dets bulkkoncentration. Holdet undersøgte iontransportprocessen i G-glimmerkanalerne og indsnævrede antallet af mulige mekanismer ved at udføre yderligere målinger.

Outlook

Den høje ledningsevne og selektive ionadsorption på glimmeroverflader indikerede betydelig overfladediffusion. Forskerne introducerede et kvantitativt udtryk for iontransport i grafit-glimmerkanalerne for at give indsigt i relaterede mekanismer.

De beskrev, at overfladeledningsevnen skyldtes migrationen af ​​adsorberede kationer, mens de overvejede den effektive overfladesalttæthed, overflademobiliteten af ​​adsorberede kationer og fokuserede på transporten af ​​monovalente kationer. Kationers relativt store adsorptionsenergi begrænsede deres desorption før migration for at fremhæve glimmers betydning for iontransport.

På denne måde fremhævede Yu Jiang og kolleger overfladediffusion som en yderligere iontransportvej i nanofluidik for at give ionisk ledningsevne, der er størrelsesordener højere end i bulkløsninger. Værdien er blandt de højeste rapporterede fra enkelte nanokanaler. Kapaciteten til at skabe kanaler ved hjælp af glimmergruppekrystaller, der har præferencer for adsorbering af forskellige kationer, kan skelne ioner, der afhænger af deres adsorptionsenergier til iontransport og sensingapplikationer.

Flere oplysninger: Yu Jiang et al, Overfladediffusion forbedret iontransport gennem todimensionelle nanokanaler, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

© 2023 Science X Network