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

Vědci navrhují vzorky tekutých krystalů s vlastním pohonem

Nový výzkum ukazuje, že pohyb tekutých krystalů lze použít k nasměrování vývoje autonomních materiálů, které dokáží snímat vstupy, zesilovat signály a dokonce vypočítávat informace....

Činnosti v rizikových kruzích mozku mohou předpovídat změny cen akcií

Podle Společnost pro neurovědy 8. března 2021 Celý mozek potvrzuje, že aktivita v predikovaných oblastech předpovídá směr a skloňování ceny akcií. Nahoře, směr ceny akcií:...

Nenásytná poptávka po konopí vytváří obrovskou uhlíkovou stopu

Emise skleníkových plynů z životního cyklu pěstování konopí modelované v USA po celém světě Uznání: Hailey Summers / Colorado State University Vědci z Colorado State...

Hubble objevil nádhernou hvězdnou školku

po Evropská kosmická agentura / Hubble 8. března 2021 AFGL 5180, školka krásných hvězd v souhvězdí Blíženců (Gemini), byla zachycena Hubbleovým kosmickým dalekohledem. Poděkování: ESA /...

Biologové a matematici z MIT odhalují, jak se vajíčka tak zvětšují

Zasunuté ošetřovatelské buňky ovocných mušek vytlačují jejich obsah do velké vaječné buňky. Uznání: Jasmine Imran Elsus Růst vajec závisí na fyzikálních jevech, které brání...

Newsletter

Subscribe to stay updated.