Een onderzoeksteam onder leiding van ingenieurs van de Northwestern University en onderzoekers van het Argonne National Laboratory hebben nieuwe bevindingen ontdekt over de rol van ionische interactie in grafeen en water. De inzichten kunnen het ontwerp van nieuwe energie-efficiënte elektroden voor batterijen informeren of de backbone-ionische materialen vormen voor neuromorfe computertoepassingen.

Bekend om het bezit van buitengewone eigenschappen, van mechanische sterkte tot elektronische geleidbaarheid tot bevochtigende transparantie, grafeen speelt een belangrijke rol in veel milieu- en energietoepassingen, zoals ontzilting van water, elektrochemische energieopslag, en energiewinning. Door water gemedieerde elektrostatische interacties sturen de chemische processen achter deze technologieën aan, het vermogen om de interacties tussen grafeen te kwantificeren, ionen, en geladen moleculen van vitaal belang om efficiëntere en effectievere iteraties te ontwerpen.

"Elke keer dat je interacties hebt met ionen in materie, het medium is erg belangrijk. Water speelt een vitale rol bij het bemiddelen van interacties tussen ionen, moleculen, en interfaces, die leiden tot een verscheidenheid aan natuurlijke en technologische processen, " zei Monica Olvera de La Cruz, Advocaat Taylor Hoogleraar Materials Science and Engineering, die het onderzoek leidde. "Nog, er is veel dat we niet begrijpen over hoe door water gemedieerde interacties worden beïnvloed door nano-opsluiting op nanoschaal."

Met behulp van computermodelsimulaties bij Northwestern Engineering en röntgenreflectiviteitsexperimenten in Argonne, het onderzoeksteam onderzocht de interactie tussen twee tegengesteld geladen ionen op verschillende posities in water opgesloten tussen twee grafeenoppervlakken. Ze ontdekten dat de sterkte van de interactie niet equivalent was wanneer de posities van de ionen werden verwisseld. Deze breuk van symmetrie, die de onderzoekers niet-wederkerige interacties noemden, is een fenomeen dat niet eerder werd voorspeld door de elektrostatische theorie.

De onderzoekers ontdekten ook dat de interactie tussen tegengesteld geladen ionen weerzinwekkend werd wanneer één ion in de grafeenlagen werd ingebracht. en de andere werd geabsorbeerd op het grensvlak.

"Van ons werk men kan concluderen dat de waterstructuur alleen nabij grensvlakken de effectieve elektrostatische interacties tussen ionen niet kan bepalen, " zei Felipe Jimenez-Angeles, senior onderzoeksmedewerker in Northwestern Engineering's Center for Computation and Theory of Soft Materials en een hoofdauteur van het onderzoek. "De niet-wederkerigheid die we hebben waargenomen, impliceert dat ion-ion-interacties aan het grensvlak niet voldoen aan de isotrope en translationele symmetrieën van de wet van Coulomb en aanwezig kunnen zijn in zowel polariseerbare als niet-polariseerbare modellen. Deze niet-symmetrische waterpolarisatie beïnvloedt ons begrip van ion-differentiatie mechanismen zoals ion selectiviteit en ion specificiteit."

"Deze resultaten onthullen een andere laag in de complexiteit van hoe ionen interageren met interfaces, " zei Paul Fenter, een senior wetenschapper en groepsleider in de Chemical Sciences and Engineering Division in Argonne, die de röntgenmetingen van het onderzoek leidde met behulp van Argonne's Advanced Photon Source. "Aanzienlijk, deze inzichten komen voort uit simulaties die zijn gevalideerd tegen experimentele waarnemingen voor hetzelfde systeem."

Deze resultaten kunnen van invloed zijn op het toekomstige ontwerp van membranen voor selectieve ionenadsorptie die worden gebruikt in milieutechnologieën, zoals waterzuiveringsprocessen, batterijen en condensatoren voor de opslag van elektrische energie, en de karakterisering van biomoleculen, zoals eiwitten en DNA.

Het begrijpen van ioneninteractie kan ook van invloed zijn op de vooruitgang in neuromorfisch computergebruik, waarbij computers functioneren als menselijke hersenen om complexe taken veel efficiënter uit te voeren dan huidige computers. Lithiumion kan plasticiteit bereiken, bijvoorbeeld, door te worden ingebracht in of verwijderd uit grafeenlagen in neuromorfe apparaten.

"Grafeen is een ideaal materiaal voor apparaten die signalen verzenden via ionisch transport in elektrolyten voor neuromorfe toepassingen, "zei Olvera de la Cruz. "Onze studie toonde aan dat de interacties tussen geïntercaleerde ionen in het grafeen en fysiek geadsorbeerde ionen in de elektrolyt weerzinwekkend is, die de mechanica van dergelijke apparaten beïnvloeden."

De studie biedt onderzoekers een fundamenteel begrip van de elektrostatische interacties in waterige media nabij grensvlakken die verder gaan dan de relatie van water met grafeen, wat cruciaal is voor het bestuderen van andere processen in de natuurkunde en wetenschappen.

"Grafeen is een regelmatig oppervlak, maar deze bevindingen kunnen helpen bij het verklaren van elektrostatische interacties in complexere moleculen, zoals eiwitten, " zei Jimenez-Angeles. "We weten dat wat er in het eiwit zit en de elektrostatische ladingen erbuiten van belang zijn. Dit werk geeft ons een nieuwe kans om deze belangrijke interacties te onderzoeken en te bekijken."

Een document waarin het werk wordt beschreven, getiteld "Niet-wederkerige interacties veroorzaakt door water in opsluiting, " werd 17 november gepubliceerd in het tijdschrift Fysiek beoordelingsonderzoek .