O nouă înțelegere a interacțiunilor ionice cu grafenul și apa poate îmbunătăți procesele de purificare a apei și conservarea energiei electrice

O echipă de cercetători condusă de ingineri și cercetători din nord-vestul Laboratorului Național Argonne au descoperit noi descoperiri cu privire la rolul interacțiunii ionice în cadrul Grafen si apa. Insights poate informa proiectarea noilor electrozi eficienți din punct de vedere energetic pentru baterii sau poate furniza materiale ionice coloanei vertebrale pentru aplicații de calcul neuromorfe.

Cunoscut pentru că are proprietăți extraordinare, de la rezistența mecanică la conductivitatea electronică până la transparența umidității, grafenul joacă un rol important în multe aplicații de mediu și energie, precum desalinizarea apei, conservarea energiei electrochimice și recoltarea energiei. Interacțiunile electrostatice mediate de apă conduc procesele chimice din spatele acestor tehnologii, permițându-le să determine cantitatea de interacțiuni dintre grafen, ioni și molecule încărcate pentru a proiecta repetări mai eficiente și mai eficiente.

„Ori de câte ori aveți interacțiuni cu ioni în materie, mediul este foarte important. „Apa joacă un rol vital în medierea interacțiunilor dintre ioni, molecule și interfețe, ceea ce duce la o varietate de procese naturale și tehnologice”, a declarat Monica Olvera de La Cruz, avocat Taylor Profesor în știința și ingineria materialelor, care a condus cercetarea. Cu toate acestea, există multe lucruri pe care nu le înțelegem modul în care interacțiunile mediată de apă sunt afectate de nanoconfigurare la nivel nanomural.

Interfață grafen-apă

Ilustrație care arată interacțiunea dintre ioni la interfața grafen-apă. Credit: Universitatea Northwestern

Folosind simulări de modele computerizate la Northwestern Engineering și experimente de reflexie cu raze X la Argonne, echipa de cercetare a investigat interacțiunea dintre doi ioni încărcați invers în poziții diferite în apa limitată între două suprafețe de grafen. Ei au descoperit că forța de interacțiune nu era echivalentă atunci când pozițiile ionilor s-au schimbat. Această întrerupere a simetriei, pe care cercetătorii au numit-o interacțiuni non-reciproce, este un fenomen care nu a fost prevăzut anterior de teoria electrostatică.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că interacțiunea dintre ionii încărcați invers a devenit dezgustătoare atunci când un ion a fost introdus în straturile de grafen, iar celălalt a fost scufundat în interfață.

“Din munca noastră, se poate concluziona că structura apei singure în apropierea interfețelor nu poate determina interacțiunile electrostatice eficiente dintre ioni”, a declarat Felipe Jimenez-Angeles, asociat senior de cercetare la Centrul de Inginerie Nord-Vest pentru Calcul și Teoria Materialelor moi. și un autor principal al studiului „Non-reciprocitatea pe care am observat-o implică faptul că interacțiunile ion-ion de la interfață nu respectă simetria izotropă și translațională a legii lui Coulomb și pot fi prezente atât în ​​modelele polarizante, cât și în cele nepolarizante. Această polarizare nu simetria apei ne afectează înțelegerea mecanismelor de diferențiere a ionilor, cum ar fi selectivitatea ionilor și specificațiile ionice. ”

„Aceste rezultate dezvăluie un alt strat pentru complexitatea interacțiunii ionice”, a spus Paul Fenter, om de știință senior și lider de grup în Divizia de Științe Chimice și Inginerie din Argonne, care a condus măsurătorile cu raze X ale studiului folosind Source Foton Argonne avansat. “În mod semnificativ, aceste cunoștințe sunt derivate din simulări care au fost validate pe baza observațiilor experimentale pentru același sistem.”

Aceste rezultate pot influența crearea viitoare a membranelor pentru absorbția selectivă a ionilor folosiți în tehnologiile de mediu, cum ar fi procesele de purificare a apei, bateriile și condensatoarele pentru stocarea energiei electrice și caracterizarea biomoleculelor, cum ar fi proteinele și ADN.

Înțelegerea interacțiunii ionice poate influența, de asemenea, progresele în calculul neuromorf – unde computerele funcționează ca și creierul uman pentru a îndeplini sarcini complexe mult mai eficient decât computerele actuale. Ionul de litiu poate atinge plasticitatea, de exemplu, prin inserarea sau îndepărtarea straturilor de grafen în dispozitivele neuromorfe.

„Grafenul este un material ideal pentru dispozitivele care transmit semnale prin transportul ionilor în electroliți pentru aplicații neuromorfe”, a spus Olvera de la Cruz. “Studiul nostru a demonstrat că interacțiunile dintre ionii interconectați în grafen și ionii absorbiți fizic în electrolit sunt dezgustătoare, afectând mecanica unor astfel de dispozitive.”

Studiul oferă cercetătorilor o înțelegere esențială a interacțiunilor electrostatice în mediile apoase din apropierea interfețelor care transcend apa la grafen, care este esențială pentru studiul altor procese din fizică și știință.

„Grafenul este o suprafață regulată, dar aceste descoperiri pot ajuta la explicarea interacțiunilor electrostatice în molecule mai complexe, cum ar fi proteinele”, a spus Jimenez-Angeles. „Știm ce este în interiorul proteinei și contează sarcina electrostatică din afara acesteia. Această lucrare ne oferă o nouă oportunitate de a explora și vedea aceste interacțiuni importante. “

Referință: „Interacțiuni non-reciproce induse de apă închisă” de Felipe Jiménez-gengeles, Katherine J. Harmon, Trung Dac Nguyen, Paul Fenter și Monica Olvera de la Cruz, 17 noiembrie 2020, Solicitați o revizuire fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.2.043244

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

A fost găsit cel mai vechi loc de înmormântare uman din Africa – un copil a fost îngropat în urmă cu 78.000 de ani

Vedere generală a zonei peșterii Panga ya Saidi. Observați săparea șanțului unde a fost deschisă înmormântarea. Credit: Muhammad Javad Shoaee Descoperirea celui mai...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Newsletter

Subscribe to stay updated.