Un team di ricerca guidato dagli ingegneri della Northwestern University e dai ricercatori dell'Argonne National Laboratory ha scoperto nuove scoperte sul ruolo dell'interazione ionica all'interno del grafene e dell'acqua. Le intuizioni potrebbero informare la progettazione di nuovi elettrodi efficienti dal punto di vista energetico per le batterie o fornire i materiali ionici della dorsale per applicazioni di calcolo neuromorfo.

Noto per possedere proprietà straordinarie, dalla resistenza meccanica alla conduttività elettronica alla trasparenza bagnante, il grafene svolge un ruolo importante in molte applicazioni ambientali ed energetiche, come la desalinizzazione dell'acqua, stoccaggio di energia elettrochimica, e raccolta di energia. Le interazioni elettrostatiche mediate dall'acqua guidano i processi chimici alla base di queste tecnologie, rendendo la capacità di quantificare le interazioni tra grafene, ioni, e molecole cariche di vitale importanza per progettare iterazioni più efficienti ed efficaci.

"Ogni volta che interagisci con gli ioni nella materia, il mezzo è molto importante. L'acqua svolge un ruolo fondamentale nel mediare le interazioni tra ioni, molecole, e interfacce, che portano a una varietà di processi naturali e tecnologici, " disse Monica Olvera de La Cruz, Avvocato Taylor Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, che ha condotto la ricerca. "Ancora, c'è molto che non capiamo su come le interazioni mediate dall'acqua siano influenzate dal nanoconfinamento su scala nanometrica".

Utilizzando simulazioni di modelli al computer presso la Northwestern Engineering e esperimenti di riflettività dei raggi X presso Argonne, il team di ricerca ha studiato l'interazione tra due ioni di carica opposta in posizioni diverse nell'acqua confinata tra due superfici di grafene. Hanno scoperto che la forza dell'interazione non era equivalente quando le posizioni degli ioni venivano scambiate. Questa rottura di simmetria, che i ricercatori hanno soprannominato interazioni non reciproche, è un fenomeno non precedentemente previsto dalla teoria elettrostatica.

I ricercatori hanno anche scoperto che l'interazione tra ioni di carica opposta diventava repulsiva quando uno ione veniva inserito negli strati di grafene, e l'altro è stato assorbito all'interfaccia.

"Dal nostro lavoro, si può concludere che la struttura dell'acqua da sola vicino alle interfacce non può determinare le effettive interazioni elettrostatiche tra gli ioni, " disse Felipe Jimenez-Angeles, ricercatore associato senior presso il Center for Computation and Theory of Soft Materials della Northwestern Engineering e autore principale dello studio. "La non reciprocità che abbiamo osservato implica che le interazioni ione-ione all'interfaccia non obbediscono alle simmetrie isotropiche e traslazionali della legge di Coulomb e possono essere presenti sia nei modelli polarizzabili che in quelli non polarizzabili. Questa polarizzazione dell'acqua non simmetrica influisce sulla nostra comprensione di meccanismi di differenziazione ionica come la selettività ionica e la specificità ionica".

"Questi risultati rivelano un altro livello della complessità del modo in cui gli ioni interagiscono con le interfacce, "ha detto Paul Fenter, uno scienziato senior e leader del gruppo nella divisione di scienze chimiche e ingegneria di Argonne, che ha condotto le misurazioni dei raggi X dello studio utilizzando Advanced Photon Source di Argonne. "In modo significativo, queste intuizioni derivano da simulazioni che vengono convalidate rispetto a osservazioni sperimentali per lo stesso sistema".

Questi risultati potrebbero influenzare la futura progettazione di membrane per l'adsorbimento ionico selettivo utilizzate nelle tecnologie ambientali, come i processi di purificazione dell'acqua, batterie e condensatori per l'accumulo di energia elettrica, e la caratterizzazione delle biomolecole, come proteine ​​e DNA.

La comprensione dell'interazione ionica potrebbe anche avere un impatto sui progressi nell'informatica neuromorfica, in cui i computer funzionano come il cervello umano per eseguire compiti complessi in modo molto più efficiente rispetto ai computer attuali. Gli ioni di litio possono raggiungere la plasticità, Per esempio, mediante inserimento o rimozione da strati di grafene in dispositivi neuromorfici.

"Il grafene è un materiale ideale per dispositivi che trasmettono segnali tramite trasporto ionico in elettroliti per applicazioni neuromorfe, " ha detto Olvera de la Cruz. "Il nostro studio ha dimostrato che le interazioni tra gli ioni intercalati nel grafene e gli ioni fisicamente adsorbiti nell'elettrolita sono repulsive, che influenzano la meccanica di tali dispositivi."

Lo studio fornisce ai ricercatori una comprensione fondamentale delle interazioni elettrostatiche nei mezzi acquosi vicino alle interfacce che vanno oltre la relazione dell'acqua con il grafene, che è cruciale per studiare altri processi nella fisica e nelle scienze.

"Il grafene è una superficie regolare, ma questi risultati possono aiutare a spiegare le interazioni elettrostatiche in molecole più complesse, come le proteine, " ha detto Jimenez-Angeles. "Sappiamo che ciò che è all'interno della proteina e le cariche elettrostatiche al di fuori di essa è importante. Questo lavoro ci offre una nuova opportunità per esplorare e osservare queste importanti interazioni".

Un documento che descrive il lavoro, intitolato "Interazioni non reciproche indotte dall'acqua in confinamento, " è stato pubblicato il 17 novembre sulla rivista Ricerca sulla revisione fisica .