ANSTO-onderzoek heeft bijgedragen aan een beter begrip van het ionentransportmechanisme in grafeen, een sterk elektrisch geleidend materiaal dat is onderzocht voor toepassing in flexibele elektronica en innovatieve vormen van energieopslag en -omzetting.

Kleine hoek neutronenverstrooiing (SANS) met behulp van het Quokka-instrument heeft inzicht gegeven in hoe ionen op nanoniveau worden getransporteerd in gestapelde membranen van grafeen, materialen die veel unieke eigenschappen hebben. Het onderzoek was gericht op de ontwikkeling van grafeen tot een veelzijdiger materiaal.

Instrumentwetenschapper Chris Garvey, die de SANS-metingen op Quokka heeft uitgevoerd, en co-auteurs van Monash University hebben hun bevindingen gepubliceerd in: wetenschappelijke vooruitgang .

Met behulp van de complementaire kracht van het neutronenverstrooiingsexperiment en computersimulatie vonden ze een robuuste kwantitatieve relatie tussen de macroscopische permeatie-eigenschappen van de op grafeen gebaseerde membranen en hun complexe nanospleetstructuur.

Ze rapporteerden dat zowel de diffusie van ionen als de elektrokinetische effecten anders zijn wanneer de lengteschalen tussen de platen kleiner zijn dan 10 nanometer.

Co-auteur en grafeenpionier Prof Dan Li, ook van de Monash University, heeft eerder verklaard dat de uitdaging om bruikbare dingen uit grafeen te maken, zijn dicht opeengepakte structuur heeft overwonnen, slechts één atoom dik, om andere moleculen, zoals ionen, ermee om te gaan.

Omdat grafeenvellen de neiging hebben om opnieuw te stapelen in grafiet wanneer ze dicht bij elkaar worden geplaatst, Prof Li ontwikkelde een grafeengelfilm als stabiel platform. Grafeen kan worden gebruikt als elektrode wanneer vloeibare elektrolyten worden toegevoegd.

De onderzoekers assembleerden een bulkgelaagde grafeenmembraanstructuur met nanokanalen in een proces ontwikkeld door hoofdauteur Dr. Chi Cheng van het Monash Center for Atomically Thin Materials voor het onderzoek. Het membraanmateriaal herbergt een reeks trapsgewijze spleten. De ionen moeten door de minuscule spleten in het membraan bewegen.

structurele onvolkomenheden, de hoogte van de nanospleten (kanaalgrootte), de laterale grootte van individuele nanosheets en de opening tussen de uiteinden van de vellen, ionentransport beïnvloeden.

Voor de onderzoeken, de onderzoekers wijzigden de kanaalgrootte van 10 nanometer tot minder dan een nanometer.

Analyse met behulp van SANS-metingen bevestigde dat de nanoruimte tussen de vellen niet volledig instortte bij samendrukking en dat de trapsgewijze nanospleten grotendeels continu blijven.

"We probeerden de gaten in de nanosheets te begrijpen, waar ionische vloeistof doorheen stroomt", zei Garvey.

"Er beweegt een lading door het membraan die een of andere vorm van elektrisch veld genereert en die beïnvloedt hoe dingen erdoorheen worden getransporteerd, ' zei Garvey.

"De gegevens die van Quokka worden verkregen, zijn bedrieglijk eenvoudig, " legde Garvey uit. "Om een ​​gedetailleerd beeld van het materiaal te krijgen, moeten de structurele mogelijkheden worden beperkt, wat best een uitdaging is."

Hoewel de meting met koude neutronen op Quokka slechts anderhalve dag duurde, de analyse verlengd tot twee jaar.

De analyse van Quokka-gegevens kan worden gebruikt om lengteschalen van 1/10e van een angstrom tot een paar honderd nanometer te onderzoeken.

"We kunnen tegelijkertijd naar veel objecten 'kijken' die zich uitstrekken over die enorme reeks maten, dat is de kracht van kleine hoekverstrooiing, "zei Garvey. "In tegenstelling tot real space imaging, zoals microscopie, kan naar weinig objecten in het gezichtsveld kijken."

Tussenlaagafstand bleek de dominante structurele index te zijn die veranderde met compressie van de nanosheets en beïnvloedde ionendiffusie en elektrokinetische effecten.

Op lengteschalen kleiner dan 10 nanometer, de concentratiegradiënt en het elektrische veld werden aangedreven door de kanaalgrootte.

Op lengteschalen van minder dan twee nanometer, de auteurs vermoedden dat complexe trapsgewijze nanofluïdische circuits kunnen leiden tot de nieuwe nano-beperkte ionentransportfenomenen.

De bevindingen zijn niet waargenomen in traditionele eendimensionale nanokanalen.

Het team van Monash University ontdekte dat door het manipuleren van zwakke interacties tussen aangrenzende grafeenlagen, de afstand tussen de lagen kan worden aangepast.

Ze bedachten een reeks scenario's van ionentransport door het trapsgewijze nanospleetsysteem en hoe het werd beïnvloed door structurele geometrie, die overeenkwamen met experimentgegevens.

Door de auteurs bedachte simulaties suggereerden dat het materiaal afstembaar zou kunnen worden gemaakt door de grootte van de afstanden in de nanokanalen aan te passen.

"Hoewel het bekend was dat het gedrag van ionentransport opgesloten in nanokanalen anders zou kunnen zijn dan dat in bulk, dit was niet benut in de context van een elektrisch geleidende porie. Dergelijke materialen op basis van grafeen openen spannende mogelijkheden in de materiaalwetenschap", aldus Garvey.