Fino ad ora, il fenomeno del trasporto ionico su scala nanometrica è rimasto un mistero per i ricercatori. Le ultime ricerche del Monash Center for Atomically Thin Materials (MCATM) della Monash University hanno ora rivelato un nuovo, metodo economico e affidabile per studiare il modo in cui gli ioni si muovono attraverso piccoli, canali di dimensioni nanometriche. Questa ricerca potrebbe essere la chiave per applicazioni come lo stoccaggio di energia ad alta potenza, dissalazione efficiente, e bioelettronica come la modulazione della segnalazione neurale.

In precedenza, studiare il trasporto ionico nanoconfinato è stato possibile solo tagliando i nanocanali in un processo noto come fotolitografia. Questo metodo era costoso, ha avuto bassi tassi di successo, e limiti di risoluzione. Però, utilizzando un processo simile alla fabbricazione della carta, i ricercatori di MCATM hanno sviluppato una tecnica basata sul grafene per creare nanocanali, che è semplice, economico e facilmente scalabile.

Secondo il primo autore della ricerca, Dottor Chi Cheng, un ricercatore post-dottorato di MCATM, "Il lavoro dimostra un modo non convenzionale di utilizzare il grafene per realizzare dispositivi nanofluidici, un nuovo strumento di ricerca sintonizzabile su intervalli di scala di lunghezza che non possono essere raggiunti con nessun altro materiale. Con questo, siamo in grado di svelare il fondamentale, tuttavia comportamenti di trasporto ionico insoliti in funzione della dimensione del canale attraverso l'intera scala di lunghezza inferiore a 10 nm".

Semplicemente impilando più strati di fogli di grafene, Il dottor Cheng e colleghi hanno creato un materiale a membrana macroscopica, che ospita una serie di nanofessure a cascata. Le minuscole aperture nella membrana sono come un labirinto, attraverso cui devono viaggiare gli ioni, consentendo così ai ricercatori di iniziare a comprendere il movimento degli ioni sotto un livello di restrizione inferiore a 10 nanometri.

Attraverso la manipolazione delle interazioni deboli tra gli strati di grafene vicini, la distanza tra gli strati può essere facilmente regolata. Controintuitivamente, gli ioni sono stati visti muoversi a velocità molto più elevate man mano che la spaziatura diminuisce, accelerando attraverso i percorsi tortuosi tra gli strati di grafene sotto potenziale elettrico.

Le simulazioni al computer hanno fornito uno strumento indispensabile nello studio del dott. Cheng, complimentarmi con i suoi esperimenti, che ha sondato le proprietà di trasporto ionico nelle membrane di grafene.

Docente Senior Dr Jefferson Zhe Liu, uno dei supervisori di questa ricerca con competenze su simulazioni continue e atomistiche, ha affermato che lo studio rivela una relazione di ridimensionamento anomala per il trasporto ionico nell'esclusivo sistema di nano fessure a cascata racchiuso nelle membrane di grafene.

"Una combinazione di membrane di grafene sintonizzabili in esperimenti e simulazioni al computer ci consente di ottenere un modello di microstruttura statisticamente rappresentativo delle uniche nanofessure a cascata nelle membrane di grafene, che non era possibile ottenere in studi precedenti, ", ha detto il dottor Liu.

Responsabile della ricerca e Direttore di MCATM, Professor Dan Li, era entusiasta del potenziale impatto di questo sviluppo.

"Trasporto ionico nanoconfinato, o nanoionica, è fondamentale per le nuove tecnologie legate all'energia, acqua, e biomedicina. È stato difficile studiare quantitativamente la nanoionica a causa della mancanza di materiali nanoionici con le dimensioni delle caratteristiche regolabili su scala nanometrica critica. La facilità di produzione scalabile e l'eccellente sintonizzazione strutturale rendono le nostre membrane in grafene promettenti come un'eccezionale piattaforma sperimentale per esplorare nuovi ed entusiasmanti fenomeni nanoionici. Inoltre rende molto facile trasferire le scoperte fondamentali alle innovazioni tecnologiche, abilitare l'hi-tech di nuova generazione nello stoccaggio e nella conversione dell'energia, separazione a membrana e dispositivi biomedici. Questa è un'area molto eccitante che intendiamo perseguire nei prossimi anni, " ha detto il professor Li.

La ricerca è pubblicata su Progressi scientifici .