Negli ultimi decenni gli scienziati dei materiali hanno studiato approfonditamente la permeazione ionica rapida nei canali nanofluidici a causa del loro potenziale nell'ambito delle tecnologie di filtrazione e della raccolta di energia osmotica. Sebbene i meccanismi alla base del trasporto ionico debbano ancora essere compresi, il processo può essere ottenuto in nanocanali sviluppati in modo attentamente regolato.
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Science Advances , Yu Jiang e un gruppo di ricerca in chimica fisica delle superfici solide in Cina hanno descritto lo sviluppo di nanocanali bidimensionali con le pareti superiore e inferiore contenenti cristalli di grafite e mica atomicamente piatti.
Le distinte strutture e proprietà delle pareti hanno consentito di studiare le interazioni tra ioni e superfici interne. Il team ha notato un trasporto di ioni migliorato all'interno dei canali che è ordini di grandezza più veloce rispetto alle soluzioni sfuse, fornendo informazioni sugli effetti superficiali sul trasporto di ioni su scala nanometrica.
I meccanismi di trasporto degli ioni su scala nanometrica possono sovraperformare le loro controparti su scala macro grazie alla loro velocità di trasporto. Gli esempi includono il flusso rapido di ioni attraverso i canali proteici nelle membrane cellulari in un processo fondamentale per il funzionamento essenziale della vita. Questi includono la permeazione ionica attraverso membrane nanoporose per la purificazione dell'acqua, la separazione ionica e la generazione di energia osmotica. Per comprendere i meccanismi del trasporto rapido degli ioni su scala nanometrica, i ricercatori devono creare nanocanali con geometria e strutture interne ben regolate.
Yu Jiang e il suo team hanno studiato l'origine del trasporto ionico veloce all'interno di nanocanali contenenti siti di adsorbimento di ioni all'interno. Il design semplificato ha ridotto al minimo la possibilità di contaminare gli interni dei canali con sostanze chimiche e polimeri durante la fabbricazione per studiare gli effetti di adsorbimento su superfici incontaminate.
Durante gli esperimenti, Jiang e colleghi hanno assemblato cristalli di grafite e mica esfoliati meccanicamente e li hanno trasferiti in un'apertura su substrati di silicio. Hanno allineato le eterostrutture di grafite/mica con l'apertura per la copertura dello strato superiore di grafite, mentre lo strato inferiore si è allineato con l'apertura ai bordi come determinato dal metodo di trasferimento.
Gli scienziati hanno utilizzato un microscopio a forza atomica per misurare lo spessore della grafite superiore sulla mica in soluzioni acquose. Hanno poi misurato l'altezza media delle superfici di mica e grafite nella regione del canale. Poiché gli strati di grafite e mica possono delaminarsi a concentrazioni saline elevate di 2 M con correnti ioniche relativamente grandi attraverso i canali, hanno utilizzato soluzioni con concentrazioni saline uguali o inferiori a 0,1 M per la precisione sperimentale.
Ulteriori esperimenti
Gli scienziati hanno stimato l'altezza effettiva dei canali visti dagli ioni e hanno confermato l'altezza caratterizzata dalla microscopia a forza atomica. Durante gli esperimenti, hanno riempito i due serbatoi con varie soluzioni di cloruro con concentrazioni rispettivamente di 0,1 M e 0,01 M, per creare un gradiente di concentrazione.
Jiang e colleghi hanno studiato gli effetti superficiali dell'interno del canale sul trasporto di ioni e hanno misurato la conduttività ionica del cloruro di potassio in funzione della sua concentrazione apparente. Il team ha studiato il processo di trasporto degli ioni nei canali della G-mica e ha ristretto il numero di possibili meccanismi eseguendo misurazioni aggiuntive.
L'elevata conduttanza e l'adsorbimento ionico selettivo sulle superfici della mica indicano una notevole diffusione superficiale. Gli scienziati hanno introdotto un'espressione quantitativa per il trasporto ionico nei canali di grafite-mica per fornire informazioni sui meccanismi correlati.
Hanno descritto la conduttività superficiale come dovuta alla migrazione dei cationi adsorbiti considerando l'effettiva densità numerica dei sali superficiali, la mobilità superficiale dei cationi adsorbiti e si sono concentrati sul trasporto dei cationi monovalenti. L'energia di adsorbimento relativamente elevata dei cationi ne limitava il desorbimento, prima della migrazione, per evidenziare l'importanza della mica per il trasporto degli ioni.
In questo modo, Yu Jiang e colleghi hanno evidenziato la diffusione superficiale come un ulteriore percorso di trasporto degli ioni nella nanofluidica per fornire una conduttività ionica che è di ordini di grandezza superiore rispetto alle soluzioni sfuse. Il valore è tra i più alti riportati dai singoli nanocanali. La capacità di creare canali utilizzando cristalli del gruppo mica che hanno preferenze di adsorbimento di diversi cationi può distinguere gli ioni che dipendono dalle loro energie di adsorbimento per il trasporto di ioni e le applicazioni di rilevamento.
Ulteriori informazioni: Yu Jiang et al, La diffusione superficiale migliora il trasporto di ioni attraverso nanocanali bidimensionali, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493
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