ANSTO-forskning har bidragit till en förståelse av jontransportmekanismen i grafen, ett starkt elektriskt ledande material som har undersökts för användning i flexibel elektronik och innovativa former av energilagring och omvandling.

Liten vinkel neutronspridning (SANS) med hjälp av Quokka-instrumentet har gett insikt i hur joner transporteras på nanonivå i staplade membran av grafen, material som har många unika egenskaper. Forskningen syftade till att utveckla grafen till ett mer mångsidigt material.

Instrumentforskaren Chris Garvey, som genomförde SANS-mätningarna på Quokka, och medförfattare från Monash University har publicerat sina resultat i Vetenskapens framsteg .

Med hjälp av den komplementära kraften hos neutronspridningsexperiment och datorsimulering fann de ett robust kvantitativt förhållande mellan de makroskopiska genomträngningsegenskaperna hos de grafenbaserade membranen och deras komplexa nanoslitstruktur.

De rapporterade att både diffusionen av joner och elektrokinetiska effekter är olika när längdskalorna mellan arken är mindre än 10 nanometer.

Medförfattare och grafenpionjär Prof Dan Li, även vid Monash University, har tidigare sagt att utmaningen att göra användbara saker av grafen har varit att övervinna dess tätt packade struktur, bara en atom tjock, för andra molekyler, såsom joner, att interagera med det.

Eftersom grafenark är benägna att staplas om till grafit när de placeras nära varandra, Prof Li utvecklade en grafengelfilm som en stabil plattform. Grafen kan användas som elektrod när flytande elektrolyter tillsätts.

Forskarna satte ihop en bulkskiktad grafenmembranstruktur med nanokanaler i en process som utvecklats av huvudförfattaren Dr Chi Cheng vid Monash Center for Atomically Thin Materials för studien. Membranmaterialet innehåller en serie kaskadslitsar. Jonerna måste röra sig genom de små slitsarna i membranet.

Strukturella brister, höjden på nanoslitsarna (kanalstorlek), den laterala storleken på enskilda nanoark och gapet mellan arkens ändar, påverka jontransporten.

För utredningarna, forskarna ändrade kanalstorleken från 10 nanometer ner till mindre än en nanometer.

Analys med SANS-mätningar bekräftade att nanoutrymmet mellan arken inte kollapsade helt när de komprimerades och de kaskadformade nanoslitsarna förblir i stort sett kontinuerliga.

"Vi försökte förstå hålen inuti nanoarken, där jonisk vätska strömmar igenom", sa Garvey.

"Det finns en laddning som rör sig genom membranet som genererar någon form av elektriskt fält och som påverkar hur saker transporteras genom det, sa Garvey.

"Datan som hämtas från Quokka är bedrägligt enkel, " förklarade Garvey. "För att få en detaljerad bild av materialet innebär att man begränsar de strukturella möjligheterna, vilket är ganska utmanande."

Även om mätningen med kalla neutroner på Quokka bara tog en och en halv dag, analysen förlängdes till två år.

Analysen av Quokka-data kan användas för att undersöka längdskalor från 1/10-dels ångström upp till ett par hundra nanometer.

"Vi kan samtidigt 'titta' på många objekt som sträcker sig över det enorma storleksintervallet, det är kraften i liten vinkelspridning, " sa Garvey. "Däremot verklig rymdavbildning, som mikroskopi, kan titta på få föremål i synfältet."

Mellanskiktsavstånd befanns vara det dominerande strukturella indexet som förändrades med komprimering av nanoskivorna och påverkade jondiiffusion och elektrokinetiska effekter.

På längdskalor mindre än 10 nanometer, koncentrationsgradienten och det elektriska fältet drevs av kanalstorlek.

På längdskalor under två nanometer, författarna misstänkte att komplexa kaskadkopplande nanofluidiska kretsar kan leda till de nya nano-begränsade jontransportfenomenen.

Fynden har inte observerats i traditionella endimensionella nanokanaler.

Monash University-teamet fann att genom att manipulera svaga interaktioner mellan närliggande grafenlager gör det möjligt att justera avståndet mellan lagren.

De utarbetade en rad scenarier för jontransport genom det kaskadande nanoslitsystemet och hur det påverkades av strukturell geometri, som överensstämde med experimentdata.

Simuleringar utarbetade av författarna antydde att materialet kunde göras avstämbart genom att justera storleken på avstånden i nanokanalerna.

"Även om det var känt att beteendet för jontransport instängd i nanokanaler kan vara annorlunda än det i bulk, detta hade inte utnyttjats i samband med en elektriskt ledande por. Sådana material baserade på grafen öppnar spännande möjligheter inom materialvetenskap", sa Garvey.