Un gruppo internazionale di ricercatori ha disposto nanofogli 2D di nitruro di boro, il "grafene bianco", in membrane con un significativo livello di conducibilità e stabilità chimica e termica fino a 90°C.

Raggiungere una maggiore velocità di flusso ionico attraverso i canali e le membrane porose è importante per una vasta gamma di applicazioni, quali lo stoccaggio di energia e la desalinizzazione dell'acqua, ma è impegnativo.

La collaborazione dei ricercatori della Deakin University e dell'ANSTO in Australia, la Sorbona in Francia e la Drexel University negli Stati Uniti, ha appena pubblicato lo studio su The Giornale della Società Chimica Americana .

I nanofogli di nitruro di boro sono solitamente idrofili e il team ha utilizzato la comprensione delle interazioni dei nanofogli in soluzione durante un processo di filtrazione per consentire ai nanofogli di autoassemblarsi nella struttura speciale in soluzione acquosa.

Lo scienziato degli strumenti ANSTO Chris Garvey e Guang Wang ha ricevuto l'AINSE Post Graduate Research Award dalla Deakin University, ha utilizzato la diffusione di raggi X a piccolo angolo (SAXS) al sincrotrone australiano come strumento strutturale per sondare il materiale e caratterizzare i canali nanofluidici in una membrana di nitruro di boro secca e completamente idratata.

"L'interazione delle nanoparticelle in soluzione ha permesso ai nanofogli di autoassemblarsi in un materiale con una struttura interessante come un film sottile con una conduttività migliorata, " ha spiegato Garvey.

"Quando si rimuove l'acqua durante il processo di produzione/filtrazione, le particelle si avvicinano e le interazioni tra le particelle diventano importanti nel processo di autoassemblaggio e nella struttura finale, " disse Garvey.

I nanofogli di nitruro di boro si sono impilati in modo ben allineato e hanno formato una struttura a membrana lamellare.

Migliaia di canali ionici paralleli a forma di fenditura formati in un particolare orientamento sulla membrana che fungeva da condotto nanofluidico.

"A differenza di un microscopio elettronico, con SAXS puoi guardare dentro un materiale e vedere come è assemblato, possiamo vedere cosa succede quando metti acqua e sale in uno scomparto di dimensioni nanometriche, " disse Garvey.

Le misurazioni al sincrotrone australiano sulla linea di luce SAXS hanno permesso loro di determinare la distanza media tra gli strati.

"Il raggio di raggi X, che ha un diametro di circa 200-300 micron, è adatto per analizzare molti nanostrati, fornire una prospettiva statistica sulla struttura, " disse Garvey.

Le misurazioni SAXS perpendicolari alla trave indicavano una mancanza di ordine strutturale lungo la direzione laterale della membrana, che era stato riportato anche per i nanofogli di ossido di grafene.

La prospettiva strutturale complessiva suggeriva che gli ioni venivano esclusi dagli spazi interni dei canali nella membrana.

La misurazione parallela alla membrana del nitruro di boro ha permesso loro di determinare che le molecole d'acqua e gli ioni sono rimasti nei canali intrastrato.

Il modo in cui gli ioni passano attraverso i canali fluidici su scala nanometrica è significativamente diverso dal modo in cui gli ioni passano attraverso la massa.

Gli autori hanno concluso che una carica superficiale negativa all'interfaccia tra la parete del canale e l'elettrolita ha svolto un ruolo importante nel trasporto ionico.

Garvey disse che la fisica dei processi di filtrazione non era ben compresa, con un'ulteriore comprensione che ha rilevanza per molte applicazioni, come l'assemblaggio di questi materiali ma anche il modo in cui si comportano i terreni argillosi.

Le membrane al nitruro di boro potrebbero essere un sostituto attraente e promettente per gli attuali nanomateriali 2D soggetti a condizioni difficili.