Pemahaman baru tentang interaksi ionik dengan graphene dan air dapat meningkatkan proses pemurnian air dan penyimpanan energi listrik.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh insinyur dan peneliti Northwestern di Laboratorium Nasional Argonne telah menemukan penemuan baru dalam peran interaksi ionik di graphene dan air. Informasi tersebut dapat menginformasikan desain elektroda hemat energi baru untuk baterai atau menyediakan bahan ionik tulang punggung untuk aplikasi komputasi neuromorfik.

Dikenal karena memiliki sifat luar biasa, mulai dari kekuatan mekanik hingga konduktivitas elektronik hingga transparansi mandi, graphene memainkan peran penting dalam banyak aplikasi lingkungan dan energi, seperti desalinasi air, penyimpanan energi elektrokimia, dan pengumpulan limbah. energi. Interaksi elektrostatis yang dimediasi air mendorong proses kimia di balik teknologi ini, memberikan kemampuan untuk mengukur interaksi antara graphene, ion, dan molekul yang sangat penting untuk merancang iterasi yang lebih efisien dan efektif.

“Setiap kali Anda berinteraksi dengan ion dalam materi, media sangat penting. Air memainkan peran penting dalam interaksi perantara antara ion, molekul, dan antarmuka, yang mengarah ke berbagai proses alam dan teknologi,” katanya. Monica Olvera de La Cruz, Pengacara Taylor, Profesor Sains dan Teknik Material, yang memimpin penelitian. “Namun, ada banyak yang tidak memahami bagaimana interaksi yang dimediasi air dipengaruhi oleh konfigurasi nano pada skala nanometrik.”

Antarmuka Graphene-Water

Ilustrasi yang menunjukkan interaksi antar ion pada antarmuka graphene-water. Kredit: Universitas Northwestern

Dengan menggunakan simulasi model komputer di Northwestern Engineering dan eksperimen reflektifitas sinar-X di Argonne, tim peneliti menyelidiki interaksi antara dua ion yang berlawanan yang bermuatan pada posisi berbeda dalam air yang dibatasi antara dua permukaan graphene. Mereka menemukan bahwa kekuatan interaksi tidak setara ketika posisi ion dipertukarkan. Pecahnya simetri ini, yang oleh para peneliti disebut interaksi non-timbal balik, adalah fenomena yang tidak diprediksi oleh teori elektrostatis.

Para peneliti juga menemukan bahwa interaksi antara ion bermuatan berlawanan menjadi menjijikkan ketika satu ion dimasukkan ke dalam lapisan graphene, dan yang lainnya diserap di antarmuka.

“Dari pekerjaan kami, kami dapat menyimpulkan bahwa struktur air saja di dekat antarmuka tidak dapat menentukan interaksi elektrostatis yang efektif antar ion,” kata Felipe Jimenez-Angeles, peneliti senior di Computing Center. dan Teori Bahan Lunak Northwestern dan penulis utama dalam penelitian ini. “Non-timbal balik yang kami amati menyiratkan bahwa interaksi ion-ion pada antarmuka tidak mematuhi simetris isotropik dan translasi dari hukum Coulomb dan dapat hadir dalam model terpolarisasi dan non-terpolarisasi. air asimetris mempengaruhi pemahaman kita tentang mekanisme diferensiasi ion seperti selektivitas ion dan spesifisitas ion. “

“Hasil ini mengungkapkan lapisan lain untuk kompleksitas bagaimana ion berinteraksi dengan antarmuka,” kata Paul Fenter, ilmuwan senior dan pemimpin kelompok di Divisi Teknik dan Ilmu Kimia di Argonne, yang memimpin pengukuran. Studi sinar-X menggunakan Argonne Advanced Photon Source. “Secara signifikan, intuisi ini berasal dari simulasi yang divalidasi terhadap observasi eksperimental untuk sistem yang sama.”

Hasil ini dapat mempengaruhi desain membran masa depan untuk adsorpsi ion selektif yang digunakan dalam teknologi lingkungan, seperti proses pemurnian air, baterai dan kapasitor untuk konservasi energi listrik, dan karakterisasi biomolekul, seperti protein. Dan DNA.

Memahami interaksi ionik juga dapat memengaruhi kemajuan dalam komputasi neuromorfik – di mana komputer berfungsi sebagai otak manusia untuk melakukan aktivitas kompleks dengan jauh lebih efisien daripada komputer saat ini. Ion litium dapat memperoleh plastisitas, misalnya, dengan dimasukkan ke atau dihilangkan dari lapisan graphene di perangkat neuromorfik.

“Graphene adalah bahan yang ideal untuk perangkat yang mengirimkan sinyal melalui transportasi ion dalam elektrolit untuk aplikasi neuromorfik,” kata Olvera de la Cruz. “Studi kami menunjukkan bahwa interaksi antara ion yang diinterkalasi dalam graphene dan ion yang secara fisik teradsorpsi dalam elektrolit bersifat menjijikkan, mempengaruhi mekanisme perangkat tersebut.”

Studi ini memberi para peneliti pemahaman mendasar tentang interaksi elektrostatik dalam media berair dekat antarmuka yang melampaui hubungan air dengan graphene, yang sangat penting untuk mempelajari proses lain dalam fisika dan sains.

“Graphene adalah permukaan biasa, tetapi hasil ini dapat membantu menjelaskan interaksi elektrostatis dalam molekul yang lebih kompleks, seperti protein,” kata Jimenez-Angeles. “Kami tahu bahwa apa yang ada di dalam protein dan muatan elektrostatis di luarnya penting. Pekerjaan ini memberi kami kesempatan baru untuk mengeksplorasi dan mengamati interaksi penting ini.”

Referensi: “Interaksi non-timbal balik yang diinduksi oleh air di dalam kurungan” oleh Felipe Jiménez-Ángeles, Katherine J. Harmon, Trung Dac Nguyen, Paul Fenter dan Monica Olvera de la Cruz, 17 November 2020, Riset Tinjauan Fisik.
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

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Peralihan rahasia yang luar biasa terbuka yang dapat merevolusi pengobatan serangan jantung

Para peneliti di Victor Chang Institute for Heart Research di Sydney telah menemukan gen baru yang penting yang kami harap dapat membantu jantung manusia...

Newsletter

Subscribe to stay updated.