Tills nu, fenomenet jontransport i nanoskala har förblivit ett mysterium för forskare. Senaste forskningen från Monash Center for Atomically Thin Materials (MCATM) vid Monash University har nu avslöjat en ny, billig och pålitlig metod för att studera hur joner rör sig genom små, kanaler i nanostorlek. Denna forskning kan innehålla nyckeln till applikationer som energilagring med hög effekt, effektiv avsaltning, och bioelektronik såsom modulering av neural signalering.

Tidigare, att studera nano-begränsad jontransport var endast möjligt genom att skära nanokanaler i en process som kallas fotolitografi. Denna metod var kostsam, hade låga framgångar, och upplösningsgränser. Dock, använda en process som liknar papperstillverkning, forskare vid MCATM har utvecklat en grafenbaserad teknik för att göra nanokanaler, vilket är enkelt, billig och lätt skalbar.

Enligt den första författaren till forskningen, Dr Chi Cheng, en postdoktor från MCATM, "Arbetet visar ett okonventionellt sätt att använda grafen för att göra nanofluidiska enheter, ett nytt forskningsverktyg som kan anpassas till längdskalaområden som inte kan uppnås med något annat material. Med detta, vi kan avslöja det grundläggande, ändå ovanliga jontransportbeteenden som en funktion av kanalstorlek över hela skalan under 10 nm längd."

Helt enkelt genom att stapla flera lager av grafenark, Dr Cheng och kollegor har skapat ett makroskopiskt membranmaterial, som rymmer en serie kaskadformade nanoslitsar. De små öppningarna i membranet är som en labyrint, som jonerna måste färdas genom, vilket gör det möjligt för forskarna att börja förstå rörelsen av joner under en restriktionsnivå under 10 nanometer.

Genom att manipulera de svaga interaktionerna mellan närliggande grafenlager, mellanskiktsavståndet kan enkelt justeras. kontraintuitivt, joner har setts röra sig i mycket högre hastighet när avståndet minskar, rusar genom de slingrande banorna mellan grafenskikten under elektrisk potential.

Datorsimuleringar var ett oumbärligt verktyg i Dr Chengs studie, komplimenterar hans experiment, som undersökte jontransportegenskaperna i grafenmembranen.

Universitetslektor Dr Jefferson Zhe Liu, en av handledarna för denna forskning med expertis på kontinuum och atomistiska simuleringar, sade studien avslöjar en onormal skalningsrelation för jontransport i det unika kaskadformade nanoslitsystemet inneslutet i grafenmembran.

"En kombination av inställbara grafenmembran i experiment och datorsimuleringar tillåter oss att erhålla en statistiskt representativ mikrostrukturmodell av de unika kaskadformade nanoslitsarna i grafenmembran, vilket inte var möjligt i tidigare studier, " sa Dr Liu.

Forskningsledare och chef för MCATM, Professor Dan Li, var entusiastisk över den potentiella effekten av denna utveckling.

"Nano-begränsad jontransport, eller nanojonics, är avgörande för ny teknik relaterad till energi, vatten, och biomedicin. Det har varit utmanande att kvantitativt studera nanojonik på grund av bristen på nanojoniska material med funktionsstorleken justerbar över den kritiska nanometerskalan. Lättheten i skalbar produktion och utmärkt strukturell avstämning gör våra grafenmembran lovande som en exceptionell experimentell plattform för att utforska nya och spännande nanojoniska fenomen. Det gör det också mycket enkelt att överföra de grundläggande upptäckterna till tekniska innovationer, möjliggör ny generation högteknologi inom energilagring och omvandling, membranseparation och biomedicinska anordningar. Detta är ett mycket spännande område vi planerar att driva under de kommande åren, " sa professor Li.

Forskningen är publicerad i Vetenskapens framsteg .