Materiaalwetenschappers hebben de snelle ionenpermeatie in nanofluïdische kanalen de afgelopen decennia uitgebreid bestudeerd vanwege hun potentieel binnen filtratietechnologieën en het oogsten van osmotische energie. Hoewel de mechanismen die ten grondslag liggen aan ionentransport nog moeten worden begrepen, kan het proces worden bereikt in nanokanalen die op een zorgvuldig gereguleerde manier zijn ontwikkeld.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances beschreven Yu Jiang en een onderzoeksteam in de fysische chemie van vaste oppervlakken in China de ontwikkeling van tweedimensionale nanokanalen waarvan de boven- en onderwanden atomair platte grafiet- en mica-kristallen bevatten.

De verschillende wandstructuren en eigenschappen maakten het onderzoek mogelijk van interacties tussen ionen en binnenoppervlakken. Het team merkte een verbeterd ionentransport binnen de kanalen op dat ordes van grootte sneller is dan in bulkoplossingen, wat inzicht verschaft in de oppervlakte-effecten op ionentransport op nanoschaal.

Ionentransport op nanoschaal

Mechanismen van ionentransport op nanoschaal kunnen beter presteren dan hun tegenhangers op macroschaal vanwege hun transportsnelheden. Voorbeelden hiervan zijn de snelle ionenstroom door eiwitkanalen in celmembranen in een proces dat cruciaal is voor het essentiële functioneren van het leven. Deze omvatten ionenpermeatie door nanoporeuze membranen voor waterzuivering, ionenscheiding en osmotische energieopwekking. Om de mechanismen van snel ionentransport op nanoschaal te begrijpen, moeten onderzoekers nanokanalen creëren met goed gereguleerde geometrie en interne structuren.

Yu Jiang en zijn team onderzochten de oorsprong van snel ionentransport binnen nanokanalen die ionenadsorptieplaatsen in het binnenland bevatten. Het vereenvoudigde ontwerp minimaliseerde de kans op besmetting van het kanaalinterieur met chemicaliën en polymeren tijdens de fabricage om adsorptie-effecten op ongerepte oppervlakken te bestuderen.

Tijdens de experimenten verzamelden Jiang en collega's mechanisch geëxfolieerde grafiet- en micakristallen en brachten ze over naar een opening op siliciumsubstraten. Ze hebben de grafiet/mica-heterostructuren uitgelijnd met de opening voor de bovenste grafietlaagbedekking, terwijl de onderste laag uitgelijnd is met de opening aan de randen, zoals bepaald door de overdrachtsmethode.

De wetenschappers gebruikten een atoomkrachtmicroscoop om de dikte van het bovenste grafiet op mica in waterige oplossingen te meten. Vervolgens maten ze de gemiddelde hoogte van mica- en grafietoppervlakken in het kanaalgebied. Omdat grafiet- en micalagen kunnen delamineren bij hoge zoutconcentraties van 2 M met relatief grote ionenstromen door de kanalen, gebruikten ze oplossingen met zoutconcentraties gelijk aan of kleiner dan 0,1 M voor experimentele nauwkeurigheid.

Aanvullende experimenten

De wetenschappers schatten de effectieve hoogte van de kanalen die door ionen worden waargenomen en bevestigden de hoogte die wordt gekenmerkt door atoomkrachtmicroscopie. Tijdens de experimenten vulden ze de twee reservoirs met verschillende chlorideoplossingen van respectievelijk 0,1 M en 0,01 M, om een ​​concentratiegradiënt te creëren.

Jiang en collega's bestudeerden de oppervlakte-effecten van de binnenkant van het kanaal op ionentransport en maten de ionische geleidbaarheid van kaliumchloride als functie van de bulkconcentratie. Het team onderzocht het ionentransportproces in de G-mica-kanalen en verkleinde het aantal mogelijke mechanismen door aanvullende metingen uit te voeren.

Vooruitzichten

De hoge geleiding en selectieve ionenadsorptie op mica-oppervlakken duidden op een aanzienlijke oppervlaktediffusie. De wetenschappers introduceerden een kwantitatieve uitdrukking voor ionentransport in de grafiet-mica-kanalen om inzicht te geven in gerelateerde mechanismen.

Ze beschreven dat de geleidbaarheid van het oppervlak het gevolg is van de migratie van geadsorbeerde kationen, terwijl ze rekening hielden met de effectieve oppervlaktezoutgetaldichtheid, de oppervlaktemobiliteit van geadsorbeerde kationen, en concentreerden zich op het transport van eenwaardige kationen. De relatief grote adsorptie-energie van kationen beperkte hun desorptie vóór migratie, wat het belang van mica voor ionentransport benadrukt.

Op deze manier benadrukten Yu Jiang en collega's oppervlaktediffusie als een extra ionentransportpad in nanofluïdica om ionische geleidbaarheid te bieden die ordes van grootte hoger is dan in bulkoplossingen. De waarde behoort tot de hoogste gerapporteerde waarden van afzonderlijke nanokanalen. Het vermogen om kanalen te creëren met behulp van kristallen uit de micagroep die de voorkeur hebben voor het adsorberen van diverse kationen, kan ionen onderscheiden die afhankelijk zijn van hun adsorptie-energieën voor ionentransport en detectietoepassingen.

Meer informatie: Yu Jiang et al., Oppervlaktediffusie verbeterd ionentransport door tweedimensionale nanokanalen, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk