Materialforskare har utförligt studerat snabb jongenomträngning i nanofluidkanaler under de senaste decennierna på grund av deras potential inom filtreringsteknik och osmotisk energiskörd. Även om mekanismerna bakom jontransporten ännu inte har förståtts, kan processen uppnås i nanokanaler utvecklade på ett noggrant reglerat sätt.
I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Yu Jiang och ett forskarteam inom fysikalisk kemi av fasta ytor i Kina beskrev utvecklingen av tvådimensionella nanokanaler med deras övre och nedre väggar innehållande atomärt platta grafit- och glimmerkristaller.
De distinkta väggstrukturerna och egenskaperna möjliggjorde undersökningen av interaktioner mellan joner och inre ytor. Teamet noterade förbättrad jontransport inom kanalerna som är storleksordningar snabbare än i bulklösningar, vilket ger insikter om yteffekter på jontransport på nanoskala.
Mekanismer för jontransport i nanoskala kan överträffa sina motsvarigheter i makroskala på grund av deras transporthastigheter. Exempel inkluderar snabbt jonflöde genom proteinkanaler i cellmembran i en process som är avgörande för livets väsentliga funktion. Dessa inkluderar jongenomträngning genom nanoporösa membran för vattenrening, jonseparation och osmotisk kraftgenerering. För att förstå mekanismerna för snabb jontransport på nanoskala måste forskare skapa nanokanaler med välreglerad geometri och inre strukturer.
Yu Jiang och team undersökte ursprunget till snabb jontransport inom nanokanaler som innehåller jonadsorptionsställen i det inre. Den förenklade designen minimerade risken för att förorena kanalinteriörer med kemikalier och polymerer under tillverkningen för att studera adsorptionseffekter på orörda ytor.
Under experimenten satte Jiang och kollegor ihop mekaniskt exfolierade grafit- och glimmerkristaller och överförde dem till en öppning på silikonsubstrat. De anpassade grafit/glimmer-heterostrukturerna med öppningen för det översta grafitskiktets täckning, medan det undre skiktet var i linje med öppningen vid deras kanter enligt överföringsmetoden.
Forskarna använde ett atomkraftsmikroskop för att mäta tjockleken på den översta grafiten på glimmer i vattenlösningar. De mätte sedan medelhöjden av glimmer och grafit ytor i kanalområdet. Eftersom grafit- och glimmerlager kan delaminera vid höga saltkoncentrationer på 2 M med relativt stora jonströmmar genom kanalerna, använde de lösningar med saltkoncentrationer lika med eller mindre än 0,1 M för experimentell noggrannhet.
Ytterligare experiment
Forskarna uppskattade den effektiva höjden av kanalerna som ses av joner och bekräftade höjden som kännetecknas av atomkraftsmikroskopi. Under experimenten fyllde de de två reservoarerna med olika kloridlösningar med 0,1 M respektive 0,01 M koncentrationer för att skapa en koncentrationsgradient.
Jiang och kollegor studerade yteffekterna av kanalens inre på jontransport och mätte jonkonduktiviteten hos kaliumklorid som en funktion av dess bulkkoncentration. Teamet undersökte jontransportprocessen i G-glimmerkanalerna och minskade antalet möjliga mekanismer genom att utföra ytterligare mätningar.
Den höga konduktansen och selektiva jonadsorptionen på glimmerytor indikerade avsevärd ytdiffusion. Forskarna introducerade ett kvantitativt uttryck för jontransport i grafit-glimmerkanalerna för att ge insikter om relaterade mekanismer.
De beskrev att ytkonduktiviteten berodde på migrationen av adsorberade katjoner samtidigt som man beaktade den effektiva ytsalttätheten, ytrörligheten hos adsorberade katjoner och fokuserade på transporten av monovalenta katjoner. Den relativt stora adsorptionsenergin hos katjoner begränsade deras desorption, före migrering för att belysa glimmers betydelse för jontransport.
På detta sätt lyfte Yu Jiang och kollegor fram ytdiffusion som en ytterligare jontransportväg i nanofluidik för att ge jonledningsförmåga som är storleksordningar högre än i bulklösningar. Värdet är bland de högsta rapporterade från enstaka nanokanaler. Förmågan att skapa kanaler med hjälp av glimmergruppkristaller som har preferenser för att adsorbera olika katjoner kan särskilja joner som beror på deras adsorptionsenergier för jontransport och avkänningstillämpningar.
Mer information: Yu Jiang et al, Ytdiffusionsförbättrad jontransport genom tvådimensionella nanokanaler, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
