(A) In alto:immagini al microscopio elettronico a scansione della sezione trasversale delle membrane LGG con dexp compresso a 3,2 nm (sinistra) e 0,5 nm (destra), rispettivamente. In basso:modelli SANS isotropici delle membrane in gel compresso con dexpof 3,9 nm (sinistra) e 0,5 nm (destra), rispettivamente. L'inserto nell'angolo in alto a sinistra è una fotografia della membrana LGG. (B) Uno schema che mostra la formazione di una serie di nanofessure a cascata attraverso l'impilamento parallelo di più nanofogli di grafene. l, D, e δ sono le variabili geometriche chiave del modello strutturale proposto per descrivere la struttura porosa della membrana LGG. (C) Offset dati SANS 1D ridotto dalla scala di intensità assoluta. Il riquadro in alto a destra mostra la pendenza F dalle regressioni lineari nell'intervallo q da 0,001 a 0,01 −1 in funzione di dexp.
La ricerca ANSTO ha contribuito alla comprensione del meccanismo di trasporto ionico nel grafene, un materiale altamente conduttivo elettricamente che è stato studiato per l'uso nell'elettronica flessibile e nelle forme innovative di accumulo e conversione dell'energia.
Lo scattering di neutroni a piccolo angolo (SANS) che utilizza lo strumento Quokka ha fornito informazioni su come gli ioni vengono trasportati a livello nano nelle membrane impilate di grafene, materiali che hanno molte proprietà uniche. La ricerca mirava a sviluppare il grafene in un materiale più versatile.
Lo scienziato degli strumenti Chris Garvey, che ha effettuato le misurazioni SANS su Quokka, e i coautori della Monash University hanno pubblicato i loro risultati in Progressi scientifici .
Utilizzando la potenza complementare dell'esperimento di diffusione dei neutroni e della simulazione al computer, hanno trovato una solida relazione quantitativa tra le proprietà di permeazione macroscopica delle membrane a base di grafene e la loro complessa struttura a nano fessure.
Hanno riferito che sia la diffusione degli ioni che gli effetti elettrocinetici sono diversi quando le scale di lunghezza tra i fogli sono inferiori a 10 nanometri.
Co-autore e pioniere del grafene Prof Dan Li, anche della Monash University, ha affermato in precedenza che la sfida di realizzare cose utili dal grafene è stata superare la sua struttura fitta, solo un atomo di spessore, per altre molecole, come ioni, per interagire con esso.
Poiché i fogli di grafene tendono a ricomporre la grafite quando posizionati vicini, Il prof. Li ha sviluppato un film di gel di grafene come piattaforma stabile. Il grafene può essere utilizzato come elettrodo quando vengono aggiunti elettroliti liquidi.
I ricercatori hanno assemblato una struttura a membrana di grafene stratificata con nanocanali in un processo sviluppato dall'autore principale, il dottor Chi Cheng, presso il Monash Center for Atomically Thin Materials per lo studio. Il materiale della membrana ospita una serie di fessure a cascata. Gli ioni devono muoversi attraverso le minuscole fessure della membrana.
imperfezioni strutturali, l'altezza delle nanofessure (dimensioni del canale), la dimensione laterale dei singoli nanofogli e lo spazio tra le estremità dei fogli, influenzare il trasporto ionico.
Per le indagini, i ricercatori hanno modificato la dimensione del canale da 10 nanometri fino a meno di un nanometro.
L'analisi utilizzando le misurazioni SANS ha confermato che il nanospazio tra i fogli non è completamente collassato quando è stato compresso e le nanofessure a cascata rimangono in gran parte continue.
"Stavamo cercando di capire i buchi all'interno dei nanofogli, dove scorre il fluido ionico", ha detto Garvey.
"C'è una carica che si muove attraverso la membrana che genera una qualche forma di campo elettrico e che influenza il modo in cui le cose vengono trasportate attraverso di essa, " disse Garvey.
"I dati acquisiti da Quokka sono ingannevolmente semplici, " ha spiegato Garvey. "Per avere un quadro dettagliato del materiale implica restringere le possibilità strutturali, che è piuttosto impegnativo."
Sebbene la misurazione con neutroni freddi su Quokka abbia richiesto solo un giorno e mezzo, l'analisi si è estesa a due anni.
L'analisi dei dati Quokka può essere utilizzata per studiare scale di lunghezza da 1/10 di angstrom fino a un paio di centinaia di nanometri.
"Possiamo 'guardare' simultaneamente molti oggetti che si estendono su quella vasta gamma di dimensioni, questo è il potere della dispersione a piccoli angoli, " ha detto Garvey. "Al contrario di immagini dello spazio reale, come la microscopia, è in grado di guardare pochi oggetti nel campo visivo."
La spaziatura tra gli strati è risultata essere l'indice strutturale dominante che è cambiato con la compressione dei nanofogli e ha influenzato la diffusione degli ioni e gli effetti elettrocinetici.
Alla lunghezza scala meno di 10 nanometri, il gradiente di concentrazione e il campo elettrico sono stati guidati dalla dimensione del canale.
Alla lunga scale al di sotto dei due nanometri, gli autori sospettavano che complessi circuiti nanofluidici a cascata potessero portare a nuovi fenomeni di trasporto ionico nano-confinato.
I risultati non sono stati osservati nei tradizionali nanocanali unidimensionali.
Il team della Monash University ha scoperto che manipolando le interazioni deboli tra gli strati di grafene vicini è possibile regolare la spaziatura tra gli strati.
Hanno ideato una serie di scenari di trasporto ionico attraverso il sistema di nanofessure a cascata e come è stato influenzato dalla geometria strutturale, che concordava con i dati dell'esperimento.
Le simulazioni ideate dagli autori hanno suggerito che il materiale potrebbe essere reso sintonizzabile regolando la dimensione degli spazi nei nanocanali.
"Sebbene fosse noto che il comportamento del trasporto ionico confinato nei nanocanali poteva essere diverso da quello alla rinfusa, questo non era stato sfruttato nel contesto di un poro elettricamente conduttivo. Tali materiali basati sul grafene aprono possibilità entusiasmanti nella scienza dei materiali", ha affermato Garvey.
