Nové chápání interakcí železných iontů s grafenem և voda může zlepšit procesy čištění vody և šetřit elektřinu

Výzkumný tým vedený Argonne National Laboratory of Northwestern Engineers objevil nové ionty v roli iontové interakce grafen և porozumění vodě může signalizovat vznik nových energeticky účinných elektrod v bateriích nebo poskytnout páteřní iontové materiály pro aplikace neuromorfních výpočtů.

Grafen, známý svými mimořádnými vlastnostmi, od mechanické pevnosti přes elektronickou vodivost po smáčení transparentnosti, hraje důležitou roli v mnoha environmentálních a energetických projektech, jako je odsolování vody, elektrochemické skladování a extrakce energie. Elektrostatické interakce zprostředkované vodou řídí chemické procesy, které jsou základem těchto technologií, díky čemuž je schopnost kvantitativně kvantifikovat interakce grafenových iontů a nabitých molekul nezbytná pro navrhování efektivnějších opakování.

„Prostředí je velmi důležité, kdykoli interaguje s ionty v hmotě. „Voda hraje při zprostředkování iontů, molekul a rozhraní zásadní roli, což vede k řadě přírodně-technologických procesů,“ uvedla Monica Olvera de la Cruz, profesorka vědy a technologie materiálů, která tuto studii vedla. „Nerozumíme však moc tomu, jak interakce zprostředkované vodou ovlivňují nanofondy v nanoměřítku.“

Rozhraní grafen-voda

Ilustrace interakce iontů v rozhraní grafen-voda. Půjčka: Northwestern University

Pomocí simulací počítačových modelů založených na experimentech v rentgenovém inženýrství v Argonautech tým zkoumal interakci dvou opačně nabitých iontů mezi dvěma povrchy grafenu v různých omezených polohách vody. Zjistili, že síla interakce není přiměřená, když se polohy iontů mění. Tento interval symetrie, který vědci nazývají neinterakce, je jev, který elektrostatická teorie dříve nepředvídala.

Vědci zjistili, že interakce mezi opačně nabitými ionty se transformuje, když je jeden iont umístěn ve vrstvách grafenu a druhý je absorbován na rozhraní.

„Z naší práce můžeme vyvodit závěr, že samotná struktura vody na rozhraní nedokáže určit efektivní elektrostatické interakce mezi ionty,“ uvedl Felipe Jimenez-Angeles, hlavní vědecký pracovník v Centru pro výpočetní teorii v Northwestern Engineering. předpokládá, že interakce iontů a iontů v rozhraní nepodléhají izotropním և translační symetrie Coulombova zákona և mohou být přítomny v reprodukovatelných i neodstranitelných modelech. Tento asymetrický náboj neiontu ovlivňuje naše vnímání mechanismů diferenciace iontů, jako je iontová selektivita a iontová specificita. “

„Tyto výsledky odhalují další vrstvu interakce iontů s rozhraními,“ uvedl Paul Fenter, vedoucí pracovník chemického inženýrství v Argonne, který vedl rentgenová měření pomocí Argonu, předního zdroje fotonů. „Je pozoruhodné, že tyto pojmy jsou odvozeny ze simulací, které jsou validovány na základě experimentálních pozorování stejného systému.“

Tyto výsledky mohou ovlivnit následný design membrán používaných pro selektivní absorpci iontů používaných v environmentálních technologiích, jako jsou procesy úpravy vody, baterie, kondenzátory pro skladování elektřiny, biomolekuly, jako jsou proteiny. DNA:,

Pochopení iontové interakce může ovlivnit postup neuromorfního počítače, když počítače fungují jako lidský mozek a provádějí složité úkoly mnohem efektivněji než současné počítače. Lithiový iont může dosáhnout plasticity, například vstupem nebo opuštěním grafenových vrstev v neuromorfních zařízeních.

„Grafen je ideálním materiálem pro zařízení, která přenášejí signály iontovým transportem v elektrolytech pro neuromorfní použití,“ uvedla Olvera de la Cruz. „Naše studie ukázala, že interakce iontů ve fyzicky absorbovaných elektronech grafenu v elektrolytu jsou odpudivé a ovlivňují mechanismus těchto zařízení.“

Studie poskytuje vědcům základní znalosti o elektrostatických interakcích ve vodním prostředí, které se nacházejí ve vodním prostředí nad vztahem s vodním grafenem, který lze použít ke studiu dalších procesů ve fyzice a vědě.

„Grafen je běžný povrch, ale tato zjištění mohou pomoci vysvětlit elektrostatické interakce ve složitějších molekulách, jako jsou proteiny,“ řekl Jimenez-Angeles. „Víme, že to, co je v proteinu, je elektrostatický náboj. Tato práce nám dává novou příležitost studovat a pozorovat tyto potenciální interakce. “

Odkaz. „Nereciproční interakce vyvolané uzavřenou vodou“ Felipe Jimenez-Angeles, Catherine mon. Harmony, Trung Du Nguyen, Paul Fenter և Monica Olvera de la Cruz, 2020 17. listopadu Zkouška z fyzické kontroly,
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

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.