与石墨烯和水的离子相互作用的新理解可以改善水净化过程和电能存储

石墨烯结构例证

由西北工程师和氩气国家实验室研究人员领导的一支研究小组已经发现了新的发现成为离子互动的作用石墨烯.和水。洞察力可以为电池设计新的节能电极,或为神经形态计算应用提供骨架离子材料。

已知具有非凡的性质,从机械强度从电子电导率到润湿透明度,石墨烯在许多环境和能源应用中起重要作用,例如水脱盐,电化学能量存储和能量收集。水介导的静电相互作用驱动了这些技术背后的化学过程,使得能够量化石墨烯,离子和带电分子之间的相互作用,以便设计更有效和有效的迭代。

“每次你有关离子的互动时,媒体非常重要。水在介导离子,分子和界面之间的相互作用中发挥着至关重要的作用,这导致了各种自然和技术流程,“Monica Olvera de La Cruz说,Lawyer Taylor Laiment of Materical Science&Engineering,领导了研究。“然而,我们不了解水介导的相互作用是如何受纳米级净化的影响。”

石墨烯 - 水界面

显示在离子之间的相互作用的例证在石墨烯水界面。信誉:西北大学

研究团队在西北工程和X射线反射率实验中使用计算机模型模拟,研究小组在两个石墨烯表面之间的不同位置中的两个相对电荷离子之间的相互作用。他们发现,当离子的位置互换时,相互作用的强度不等同。研究人员被称为非互易相互作用的这种对称性的断裂是先前未被静电理论预测的现象。

研究人员还发现,当将一个离子插入石墨烯层时,相反电荷离子之间的相互作用变得令人厌恶,并且在界面处被另一个被吸收。

“From our work, one can conclude that the water structure alone near interfaces cannot determine the effective electrostatic interactions between ions,” said Felipe Jimenez-Angeles, senior research associate in Northwestern Engineering’s Center for Computation and Theory of Soft Materials and a lead author on the study. “The non-reciprocity we observed implies that ion-ion interactions at the interface do not obey the isotropic and translational symmetries of Coulomb’s law and can be present in both polarizable and non-polarizable models. This non-symmetrical water polarization affects our understanding of ion-differentiation mechanisms such as ion selectivity and ion specificity.”

“These results reveal another layer to the complexity of how ions interact with interfaces,” said Paul Fenter, a senior scientist and group leader in the Chemical Sciences and Engineering Division at Argonne, who led the study’s x-ray measurements using Argonne’s Advanced Photon Source. “Significantly, these insights derive from simulations that are validated against experimental observations for the same system.”

这些结果可能影响环境技术中使用的选择性离子吸附的未来设计,如净水处理,电池和电容器的电容器,以及生物分子的表征,如蛋白质和蛋白质脱氧核糖核酸

了解离子相互作用也可能影响神经形态计算的进步 - 那里计算机可以像人类大脑一样起作用,比当前计算机更有效地执行复杂任务。锂离子可以通过插入或从神经形式器件中的石墨烯层中插入或从石墨烯层中除去的塑性来实现可塑性。

“石墨烯是一种理想的材料,用于通过电解质中的电解质中的电解质传输信号的理想材料,”Olvera de La Cruz说。“我们的研究表明,石墨烯中插层与电解质中的物理吸附离子之间的相互作用是令人厌恶的,影响这种装置的机制。”

该研究为研究人员提供了对邻近水与石墨烯关系的界面附近的水性介质中的静电相互作用的基本理解,这对于研究物理和科学中的其他过程至关重要。

“石墨烯是常规表面,但这些发现可以帮助解释更复杂的分子,如蛋白质的静电相互作用,”JIMENEZ-Angeles说。“我们知道蛋白质内部的内容和静电电荷很重要。这项工作为我们提供了探索和看待这些重要互动的新机会。“

参考:“禁止水中的非透视交互”由FelipeJiménez-Ángeles,Katherine J. Harmar,Trung Dac Nguyen,Paul Fenter和Monica Olvera de la Cruz,11月17日,11月17日,物理评论研究
DOI:10.1103 / physrevresearch.2.043244

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