In acqua (strutture rosse e bianche), l'interazione diretta tra grafene (grigio) e uno ione tiocianato (SCN‒) (giallo) fa sì che lo ione si adsorba sulla superficie. Le linee verde e blu rappresentano gli impulsi di luce incidente e riflessa durante la spettroscopia ultravioletta di generazione della seconda armonica. Credito:Richard Saykally e Phillip Geissler, Università della California, Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory
Il modo in cui gli ioni si attaccano alle superfici influenza notevolmente i processi vitali in qualsiasi cosa, dai depuratori d'acqua alle batterie. Per decenni, gli scienziati hanno discusso i meccanismi di tale legame, o adsorbimento. Alcuni ioni nell'acqua non si sono adsorbiti su una superficie come previsto. Ora, gli scienziati sanno perché. Studiando una superficie di grafene immersa in acqua, gli scienziati hanno dimostrato che un'interazione tra il grafene e uno ione guida l'adsorbimento, a differenza del caso dell'interfaccia aria/acqua.
Quando si tratta di adsorbimento ionico, ci sono sottili, ma importante, differenze su scala molecolare. Così, gli scienziati devono considerare queste differenze quando lavorano con ioni e superfici nell'acqua. Queste interazioni sono presenti in tutto, dalla costruzione della batteria alla segnalazione nervosa alla formazione delle nuvole.
In molti campi della scienza e della tecnologia, l'adsorbimento di ioni alle interfacce acquose gioca un ruolo chiave. Per molto tempo, testi di chimica e fisica hanno affermato che tutti gli ioni vengono respinti dalle interfacce tra l'acqua e un materiale idrofobo. Però, nuovi esperimenti e simulazioni al computer hanno dimostrato che alcuni ioni, noti come ioni caotropici, non seguire questo schema. I ricercatori hanno studiato il motivo per cui quegli ioni si adsorbono in modo diverso.
Hanno esaminato gli ioni tiocianato attaccati a un foglio di grafene (un sottile, superficie di carbonio non carica) immerso in acqua. Utilizzando misure di generazione della seconda armonica nell'ultravioletto profondo dello ione, insieme alle relative simulazioni al computer, il team ha determinato l'energia libera di adsorbimento ionico. Mentre l'energia libera coinvolta nell'adsorbimento dello ione all'interfaccia grafene/acqua è quasi identica al valore corrispondente per un'interfaccia aria/acqua, la ricerca mostra che i meccanismi coinvolti sono totalmente diversi.
Mentre l'adsorbimento all'interfaccia aria/acqua è dominato dalla ripartizione del solvente, in cui le molecole d'acqua cambiano posizione e orientamento vicino allo ione, le interazioni dirette dello ione con il grafene dominano nel caso delle interfacce grafene/acqua.
