Tot nu, het fenomeen van ionisch transport op nanoschaal is voor onderzoekers een mysterie gebleven. Het laatste onderzoek van het Monash Center for Atomically Thin Materials (MCATM) aan de Monash University heeft nu een nieuwe, goedkope en betrouwbare methode voor het bestuderen van de manier waarop ionen door kleine, kanalen van nanoformaat. Dit onderzoek zou de sleutel kunnen zijn tot toepassingen zoals energieopslag met hoog vermogen, efficiënte ontzilting, en bio-elektronica zoals modulatie van neurale signalering.

Eerder, het bestuderen van nano-begrensd ionisch transport was alleen mogelijk door nanokanalen te snijden in een proces dat bekend staat als fotolithografie. Deze methode was kostbaar, had lage slagingspercentages, en resolutielimieten. Echter, een proces gebruiken dat vergelijkbaar is met het maken van papier, onderzoekers van MCATM hebben een op grafeen gebaseerde techniek ontwikkeld om nanokanalen te maken, wat eenvoudig is, goedkoop en eenvoudig schaalbaar.

Volgens de eerste auteur van het onderzoek, Dr Chi Cheng, een postdoctoraal onderzoeker van MCATM, "Het werk demonstreert een onconventionele manier om grafeen te gebruiken om nanofluïdische apparaten te maken, een nieuw onderzoeksinstrument dat kan worden afgestemd op lengtebereiken die met geen enkel ander materiaal kunnen worden bereikt. Hiermee, we in staat zijn om de fundamentele, maar ongebruikelijk gedrag van ionentransport als een functie van de kanaalgrootte over de gehele lengteschalen van minder dan 10 nm."

Simpelweg door meerdere lagen grafeenplaten op elkaar te stapelen, Dr Cheng en collega's hebben een macroscopisch membraanmateriaal gemaakt, die een reeks trapsgewijze nanospleten herbergt. De minuscule openingen in het membraan zijn als een doolhof, waar de ionen doorheen moeten, waardoor de onderzoekers de beweging van ionen beginnen te begrijpen onder een restrictieniveau van minder dan 10 nanometer.

Door de zwakke interacties tussen aangrenzende grafeenlagen te manipuleren, de tussenlaagafstand kan gemakkelijk worden aangepast. Niet intuïtief, ionen zijn gezien met een veel hogere snelheid naarmate de afstand kleiner wordt, snel door de kronkelige paden tussen grafeenlagen onder elektrische potentiaal.

Computersimulaties waren een onmisbaar hulpmiddel in de studie van Dr. Cheng, complimenten voor zijn experimenten, die de ionische transporteigenschappen in de grafeenmembranen onderzocht.

Hoofddocent dr. Jefferson Zhe Liu, een van de begeleiders van dit onderzoek met expertise op het gebied van continuüm- en atomistische simulaties, zei dat de studie een afwijkende schaalrelatie onthult voor ionentransport in het unieke trapsgewijze nanospleetsysteem dat is ingesloten in grafeenmembranen.

"Een combinatie van afstembare grafeenmembranen in experimenten en computersimulaties stelt ons in staat om een ​​statistisch representatief microstructuurmodel te verkrijgen van de unieke trapsgewijze nanospleten in grafeenmembranen, die in eerdere onderzoeken niet haalbaar was, ' zei dokter Liu.

Onderzoeksleider en directeur van MCATM, Professor Dan Li, was enthousiast over de mogelijke impact van deze ontwikkeling.

"Nano-beperkt ionentransport, of nano-ionen, is cruciaal voor nieuwe technologieën op het gebied van energie, water, en biogeneeskunde. Het was een uitdaging om nano-ionen kwantitatief te bestuderen vanwege het gebrek aan nano-ionische materialen waarvan de functiegrootte afstembaar is over de kritische nanometerschaal. Het gemak van schaalbare productie en uitstekende structurele afstembaarheid maakt onze grafeenmembranen veelbelovend als een uitzonderlijk experimenteel platform om nieuwe en opwindende nano-ionische fenomenen te verkennen. Het maakt het ook heel gemakkelijk om de fundamentele ontdekkingen om te zetten in technologische innovaties, nieuwe generatie hi-tech mogelijk maken op het gebied van energieopslag en -conversie, membraanscheiding en biomedische apparaten. Dit is een zeer opwindend gebied dat we de komende jaren willen nastreven, ' zei professor Li.

Het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .