Hur joner håller sig till ytor påverkar i hög grad vitala processer i allt från vattenrenare till batterier. I årtionden, forskare har diskuterat mekaniken för sådan bindning, eller adsorption. Vissa joner i vatten adsorberades inte till en yta som förutspått. Nu, vet forskare varför. Genom att studera en grafenyta nedsänkt i vatten, forskare visade att en interaktion mellan grafen och en jon driver adsorptionen, till skillnad från fallet för luft/vatten -gränssnittet.

När det gäller jonadsorption, det finns subtila, men viktigt, skillnader i molekylskala. Således, forskare måste överväga dessa skillnader när de arbetar med joner och ytor i vatten. Dessa interaktioner finns i allt från batterikonstruktion till nervsignalering till molnbildning.

Inom många vetenskaps- och teknikområden, adsorptionen av joner till vattenhaltiga gränssnitt spelar en nyckelroll. Under en lång tid, kemi och fysikstexter har uppgett att alla joner avvisas från gränssnitt mellan vatten och ett hydrofobt material. Dock, nya experiment och datasimuleringar har visat att vissa joner, kända som kaotropa joner, följ inte det mönstret. Forskare undersökte varför dessa joner adsorberar annorlunda.

De undersökte tiocyanatjoner som fastnade på ett ark grafen (en tunn, icke -laddad kolyta) nedsänkt i vatten. Med hjälp av djupa ultravioletta andra harmoniska generationens mätningar av jonen, tillsammans med tillhörande datasimuleringar, laget bestämde den fria energin för jonadsorption. Även om den fria energin som ingår i adsorbering av jonen till grafen/vatten -gränssnittet är nästan identisk med motsvarande värde för ett luft/vatten -gränssnitt, forskningen visar att mekanismerna är helt olika.

Medan adsorption vid luft/vatten -gränssnittet domineras av lösningsmedelsfördelning, där vattenmolekylerna ändrar position och orientering nära jonen, direkta interaktioner mellan jonen och grafen dominerar i fallet med grafen/vatten -gränssnitt.