En forskargrupp ledd av Northwestern University-ingenjörer och forskare från Argonne National Laboratory har avslöjat nya rön om rollen av jonisk interaktion inom grafen och vatten. Insikterna kan informera om designen av nya energieffektiva elektroder för batterier eller tillhandahålla jonmaterial i ryggraden för neuromorfa datortillämpningar.

Känd för att ha extraordinära egenskaper, från mekanisk styrka till elektronisk ledningsförmåga till genomskinlighet för vätning, grafen spelar en viktig roll i många miljö- och energitillämpningar, såsom avsaltning av vatten, elektrokemisk energilagring, och energiskörd. Vattenmedierade elektrostatiska interaktioner driver de kemiska processerna bakom dessa teknologier, göra förmågan att kvantifiera interaktionerna mellan grafen, joner, och laddade molekyler som är avgörande för att kunna designa mer effektiva och effektiva iterationer.

"Varje gång du har interaktioner med joner i materia, mediet är mycket viktigt. Vatten spelar en viktig roll för att förmedla interaktioner mellan joner, molekyler, och gränssnitt, som leder till en mängd olika naturliga och tekniska processer, sa Monica Olvera de La Cruz, Advokat Taylor professor i materialvetenskap och teknik, som ledde forskningen. "Än, det finns mycket vi inte förstår om hur vattenmedierade interaktioner påverkas av nanoinneslutning på nanoskala."

Med hjälp av datormodellsimuleringar vid Northwestern Engineering och röntgenreflektivitetsexperiment vid Argonne, forskargruppen undersökte interaktionen mellan två motsatt laddade joner i olika positioner i vatten inneslutet mellan två grafenytor. De fann att styrkan i interaktionen inte var likvärdig när jonernas positioner byttes ut. Detta symmetribrott, som forskarnas kallade icke-ömsesidiga interaktioner, är ett fenomen som inte tidigare förutspåtts av elektrostatisk teori.

Forskarna fann också att interaktionen mellan motsatt laddade joner blev frånstötande när en jon sattes in i grafenlagren, och den andra absorberades vid gränssnittet.

"Från vårt arbete, man kan dra slutsatsen att vattenstrukturen ensam nära gränssnitt inte kan bestämma de effektiva elektrostatiska interaktionerna mellan joner, " sa Felipe Jimenez-Angeles, senior forskarassistent vid Northwestern Engineering's Center for Computation and Theory of Soft Materials och en huvudförfattare på studien. "Den icke-reciprocitet som vi observerade innebär att jon-joninteraktioner vid gränssnittet inte följer de isotropiska och translationella symmetrierna i Coulombs lag och kan finnas i både polariserbara och icke-polariserbara modeller. Denna icke-symmetriska vattenpolarisering påverkar vår förståelse av jondifferentieringsmekanismer såsom jonselektivitet och jonspecificitet."

"Dessa resultat avslöjar ytterligare ett lager till komplexiteten i hur joner interagerar med gränssnitt, sade Paul Fenter, en senior vetenskapsman och gruppledare vid avdelningen för kemivetenskap och teknik vid Argonne, som ledde studiens röntgenmätningar med hjälp av Argonnes Advanced Photon Source. "Betydande, dessa insikter härrör från simuleringar som är validerade mot experimentella observationer för samma system."

Dessa resultat kan påverka den framtida designen av membran för selektiv jonadsorption som används i miljöteknik, som vattenreningsprocesser, batterier och kondensatorer för lagring av elektrisk energi, och karakteriseringen av biomolekyler, som proteiner och DNA.

Att förstå joninteraktion kan också påverka framstegen inom neuromorfisk datoranvändning – där datorer fungerar som mänskliga hjärnor för att utföra komplexa uppgifter mycket mer effektivt än nuvarande datorer. Litiumjon kan uppnå plasticitet, till exempel, genom att infogas i eller avlägsnas från grafenlager i neuromorfa enheter.

"Grafen är ett idealiskt material för enheter som överför signaler via jontransport i elektrolyter för neuromorfa tillämpningar, " sa Olvera de la Cruz. "Vår studie visade att interaktionen mellan interkalerade joner i grafenet och fysiskt adsorberade joner i elektrolyten är frånstötande, påverkar mekaniken hos sådana anordningar."

Studien ger forskare en grundläggande förståelse för de elektrostatiska interaktionerna i vattenhaltiga medier nära gränssnitt som går utöver vattnets förhållande till grafen, vilket är avgörande för att studera andra processer inom fysik och naturvetenskap.

"Grafen är en vanlig yta, men dessa fynd kan hjälpa till att förklara elektrostatiska interaktioner i mer komplexa molekyler, som proteiner, ", sa Jimenez-Angeles. "Vi vet att vad som finns inuti proteinet och de elektrostatiska laddningarna utanför det spelar roll. Detta arbete ger oss en ny möjlighet att utforska och titta på dessa viktiga interaktioner."

Ett papper som beskriver arbetet, med titeln "Icke-ömsesidiga interaktioner inducerade av vatten i instängdhet, " publicerades den 17 november i tidskriften Physical Review Research .