Ang isang bagong pag-unawa sa pakikipag-ugnay sa Ionic sa graphene at tubig ay maaaring mapabuti ang proseso ng paglilinis ng tubig at pag-iimbak ng enerhiya

Ang isang pangkat ng pananaliksik na pinangunahan ng mga hilagang-kanlurang mga inhinyero at mananaliksik mula sa Argonne National Laboratory ay natuklasan ang mga bagong natuklasan tungkol sa papel na ginagampanan ng mga pakikipag-ionic sa graphene at tubig. Ang impormasyong ito ay maaaring ipaalam ang pagbuo ng mga bagong electrode na may lakas na enerhiya para sa mga baterya o magbigay ng pangunahing mga ionic na materyales para sa neuromorphic computing.

Ang Graphene, na kilala sa mga pambihirang pag-aari ng wetting – mula sa lakas na mekanikal hanggang sa elektronikong kondaktibiti at transparency – ay may mahalagang papel sa maraming lugar sa kapaligiran at enerhiya, tulad ng desalination ng tubig, pag-iimbak ng enerhiya na electrochemical at koleksyon ng enerhiya. Kinokontrol ng mga pakikipag-ugnayang electrostatic na namagitan ng tubig ang mga proseso ng kemikal na pinagbabatayan ng mga teknolohiyang ito, na ginagawang kakayahang masukat ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng graphene, ions, at sisingilin na mga molekula na mahalaga sa pagbuo ng mas mahusay at mabisang mga pag-ulit.

“Sa tuwing nakikipag-ugnay ka sa mga ions sa isang sangkap, napakahalaga ng kapaligiran. Ang tubig ay may mahalagang papel sa pagpapagitna ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga ions, molekula at mga interface na humantong sa iba’t ibang mga natural at teknolohikal na proseso, “sabi ni Monica Olvera de La Cruz, isang propesor sa batas sa Faculty of Materials at Engineering Juris Taylor, na namuno sa pag-aaral. “Gayunpaman, hindi namin gaanong nauunawaan ang tungkol sa kung paano nakakaapekto ang mga pakikipag-ugnayan sa pamamagitan ng tubig sa nanoconfinement sa isang nanoscale.”

Graphene-water interface

Paglalarawan na nagpapakita ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga ions sa graphene-water section …. May-akda: Northwestern University

Gamit ang mga simulation ng modelo ng computer sa Northwest Engineering at mga eksperimento sa X-ray sa Argon, sinisiyasat ng pangkat ng pananaliksik ang pakikipag-ugnay ng dalawang magkasalungat na sisingilin na ions sa iba’t ibang posisyon sa tubig na nakagapos sa pagitan ng dalawang mga graphene ibabaw. Nalaman nila na ang lakas ng pakikipag-ugnayan ay hindi katumbas kapag nagbago ang posisyon ng ion. Ang agwat ng mahusay na proporsyon na ito, na kung saan ang mga mananaliksik ay tinaguriang mga pakikipag-ugnay na hindi katumbasan, ay isang hindi pangkaraniwang bagay na hindi pa hinula ng teoryang electrostatic.

Natuklasan din ng mga mananaliksik na ang pakikipag-ugnay sa pagitan ng salungat na sisingilin ng mga ions ay naging kasuklam-suklam kapag ang isang ion ay naipasok sa isang layer ng graphene at ang isa ay hinigop sa interface.

“Mula sa aming trabaho, maaaring mapagpasyahan na ang istraktura ng tubig lamang sa tabi ng mga seksyon ay hindi maaaring matukoy ang mabisang pakikipag-ugnay sa electrostatic sa pagitan ng mga ions,” sabi ni Felipe Jimenez-Angeles, senior researcher sa Center for Computing and Soft Material Theory ng Northwest Engineering at nangungunang may-akda ng pag-aaral. “Ang katumbasan na aming na-obserbahan ay nangangahulugang ang mga pakikipag-ugnay ng ion-ion sa seksyon ay hindi napapailalim sa isotropic at translational na mahusay na proporsyon ng batas ni Coulomb at maaaring mayroon sa parehong mga naka-polariseze at hindi pampolarize na mga modelo. Ang asymmetric polariseyation ng tubig na ito ay nakakaapekto sa aming pag-unawa sa mga mekanismo ng pagkita ng pagkakaiba-iba ng ion tulad ng selectivity ng ion at kanilang pagiging tiyak. “

“Ang mga resulta ay nagpapakita ng isa pang antas ng pagiging kumplikado kung paano nakikipag-ugnay ang mga ions sa mga interface,” sabi ni Paul Phenter, senior scientist at pinuno ng koponan ng Argon Chemical Science and Engineering na namuno sa pagsukat ng X-ray ng pag-aaral gamit ang Advanced Photon Source Argon. . “Mahalagang tandaan na ang mga ideyang ito ay nagmula sa mga simulation na na-verify batay sa mga obserbasyong pang-eksperimentong para sa parehong system.”

Ang mga resulta ay maaaring makaapekto sa hinaharap na disenyo ng lamad para sa pumipili adsorption ng mga ions na ginamit sa mga teknolohiyang pangkapaligiran tulad ng mga proseso ng paggamot sa tubig, baterya at capacitor para sa pag-iimbak ng kuryente, pati na rin ang paglalarawan ng biomolecules tulad ng mga protina at DNA.

Ang pag-unawa sa mga pakikipag-ugnayan ng ion ay maaari ring makaapekto sa mga pagsulong sa neuromorphic computing – kung saan ang mga computer ay gumagana tulad ng utak ng tao upang maisagawa ang mga kumplikadong gawain nang mas mahusay kaysa sa mga modernong computer. Ang lithium ion ay maaaring makamit ang plasticity, halimbawa, sa pamamagitan ng pagpasok o pagtanggal ng graphene mula sa mga layer sa mga neuromorphic device.

“Ang Graphene ay isang mainam na materyal para sa mga aparato na nagpapadala ng mga signal sa pamamagitan ng ion transport sa electrolytes para sa mga aplikasyon ng neuromorphic,” Olvera de la Cruz said. “Ipinakita ng aming pag-aaral na ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga intercalated na ions sa graphene at mga pisikal na naka-ad na ions na electrolyte ay kasuklam-suklam, na nakakaapekto sa mekanika ng mga naturang aparato.”

Ang pag-aaral ay nagbibigay ng isang pangunahing pag-unawa sa mga pakikipag-ugnayan ng electrostatic sa mga kapaligiran sa tubig na malapit sa mga interface na lampas sa ugnayan ng tubig sa graphene, na kritikal sa pag-aaral ng iba pang mga proseso ng pisikal at syentipikong.

“Ang Graphene ay isang pangkaraniwang ibabaw, ngunit ang mga resulta ay maaaring makatulong na ipaliwanag ang mga pakikipag-ugnayan sa electrostatic sa mas kumplikadong mga molekula tulad ng mga protina,” sabi ni Jimenez-Angeles. “Alam namin na ang lahat sa mga singil sa protina at electrostatic ay wala rito. Ang gawaing ito ay nagbibigay sa amin ng isang bagong pagkakataon upang galugarin at isaalang-alang ang mga mahahalagang pakikipag-ugnayan. “

Tulong: “Mga pakikipag-ugnay na hindi tugon na dulot ng tubig sa bilangguan,” Felipe Jimenez-Angeles, Catherine J. Harmon, Trung Duck Nguyen, Paul Fenter at Monica Olvera de la Cruz, Nobyembre 17, 2020, Eksaminasyong pisikal.
DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.2.043244

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Doblein ang bilang ng mga kilalang lente ng gravity gamit ang artipisyal na intelihensiya

Mga halimbawa ng mga gravity lens sa data ng Pag-aaral ng Pamana ng DESI. Kredito: DESI Heritage Imaging Surveys / LBNL / DOE...

Pagkuha ng mga materyales sa 2D para sa pagikot

Paglalarawan ng artistikong konsepto ng Spintronic. Ang mga siyentista mula sa Unibersidad ng Tsukuba at ang Institute of High Pressure Physics ay gumagawa ng isang...

Natuklasan ng mga Mananaliksik ang Kamakailang Genetic Communication sa Pagitan ng Mga Chimpanzee Subspecies

Ang mga sample ng dumi ng Chimpanzee ay nakolekta sa buong Africa upang matukoy kung ang mga tao ay kamakailan-lamang na konektado sa kabila...

Ang “misteryo ng nawawalang yelo” ay sa wakas ay nalutas sa paggalaw ng crust ng Earth

Greenland Glaciers 2018. Credit: NIOZ, Kim Chatter Isang bagong pandaigdigang muling pagtatayo ng yelo sa nakaraang 80,000 taon. Sa panahon ng mga yelo, bumabagsak ang pandaigdigang...

Isang Hindi Inaasahang Pag-ikot sa Quantum Physics Maaaring Maipaliwanag ang Imbalanse ng Matter / Antimatter

Kakulangan ng mahusay na proporsyon sa qubits, hindi maitama ang mga error dito computing ng kabuuanngunit maaari nitong ipaliwanag ang kawalan ng timbang ng...

Newsletter

Subscribe to stay updated.