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    Una nueva comprensión de las interacciones iónicas con el grafeno y el agua.

    Ilustración que muestra la interacción entre iones en la interfaz grafeno-agua. Crédito:Universidad Northwestern

    Un equipo de investigación dirigido por ingenieros de la Universidad Northwestern e investigadores del Laboratorio Nacional Argonne ha descubierto nuevos hallazgos sobre el papel de la interacción iónica entre el grafeno y el agua. Los conocimientos podrían informar el diseño de nuevos electrodos energéticamente eficientes para baterías o proporcionar los materiales iónicos de la columna vertebral para aplicaciones de computación neuromórfica.

    Conocido por poseer propiedades extraordinarias, desde la resistencia mecánica hasta la conductividad electrónica y la transparencia humectante, el grafeno juega un papel importante en muchas aplicaciones ambientales y energéticas, como la desalinización de agua, almacenamiento de energía electroquímica, y recolección de energía. Las interacciones electrostáticas mediadas por agua impulsan los procesos químicos detrás de estas tecnologías, haciendo la capacidad de cuantificar las interacciones entre el grafeno, iones, y moléculas cargadas de vital importancia para diseñar iteraciones más eficientes y efectivas.

    "Cada vez que tienes interacciones con iones en la materia, el medio es muy importante. El agua juega un papel vital en la mediación de interacciones entre iones, moléculas, e interfaces, que conducen a una variedad de procesos naturales y tecnológicos, "dijo Mónica Olvera de La Cruz, Abogado Taylor Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, quien dirigió la investigación. "Todavía, hay mucho que no entendemos sobre cómo las interacciones mediadas por el agua se ven influenciadas por el nanoconfinamiento a nanoescala ".

    Usando simulaciones de modelos por computadora en Northwestern Engineering y experimentos de reflectividad de rayos X en Argonne, El equipo de investigación investigó la interacción entre dos iones con carga opuesta en diferentes posiciones en el agua confinada entre dos superficies de grafeno. Descubrieron que la fuerza de la interacción no era equivalente cuando se intercambiaban las posiciones de los iones. Esta ruptura de simetría que los investigadores denominaron interacciones no recíprocas, es un fenómeno no predicho previamente por la teoría electrostática.

    Los investigadores también encontraron que la interacción entre iones con carga opuesta se volvía repulsiva cuando se insertaba un ión en las capas de grafeno. y el otro fue absorbido en la interfaz.

    "De nuestro trabajo, se puede concluir que la estructura del agua por sí sola cerca de las interfaces no puede determinar las interacciones electrostáticas efectivas entre los iones, "dijo Felipe Jiménez-Ángeles, investigador asociado senior en el Centro de Computación y Teoría de Materiales Blandos de Northwestern Engineering y autor principal del estudio. "La no reciprocidad que observamos implica que las interacciones ion-ion en la interfaz no obedecen a las simetrías isotrópicas y traslacionales de la ley de Coulomb y pueden estar presentes tanto en modelos polarizables como no polarizables. Esta polarización no simétrica del agua afecta nuestra comprensión de mecanismos de diferenciación de iones como la selectividad y la especificidad de los iones ".

    "Estos resultados revelan otra capa de la complejidad de cómo los iones interactúan con las interfaces, "dijo Paul Fenter, un científico senior y líder de grupo en la División de Ingeniería y Ciencias Químicas en Argonne, quien dirigió las mediciones de rayos X del estudio utilizando la fuente de fotones avanzada de Argonne. "Significativamente, estos conocimientos se derivan de simulaciones que se validan con observaciones experimentales para el mismo sistema ".

    Estos resultados podrían influir en el diseño futuro de membranas para la adsorción selectiva de iones utilizados en tecnologías medioambientales. como los procesos de purificación de agua, baterías y condensadores para almacenamiento de energía eléctrica, y la caracterización de biomoléculas, como proteínas y ADN.

    Comprender la interacción iónica también podría afectar los avances en la computación neuromórfica, donde las computadoras funcionan como cerebros humanos para realizar tareas complejas de manera mucho más eficiente que las computadoras actuales. El ión de litio puede lograr plasticidad, por ejemplo, insertando o quitando capas de grafeno en dispositivos neuromórficos.

    "El grafeno es un material ideal para dispositivos que transmiten señales a través del transporte iónico en electrolitos para aplicaciones neuromórficas, "dijo Olvera de la Cruz." Nuestro estudio demostró que las interacciones entre los iones intercalados en el grafeno y los iones adsorbidos físicamente en el electrolito es repulsiva, afectando la mecánica de tales dispositivos ".

    El estudio proporciona a los investigadores una comprensión fundamental de las interacciones electrostáticas en medios acuosos cerca de interfaces que van más allá de la relación del agua con el grafeno. que es crucial para estudiar otros procesos en la física y las ciencias.

    "El grafeno es una superficie regular, pero estos hallazgos pueden ayudar a explicar las interacciones electrostáticas en moléculas más complejas, como proteínas, ", dijo Jiménez-Ángeles." Sabemos que lo que hay dentro de la proteína y las cargas electrostáticas fuera de ella es importante. Este trabajo nos brinda una nueva oportunidad para explorar y observar estas importantes interacciones ".

    Un documento que describe el trabajo, titulado "Interacciones no recíprocas inducidas por agua en confinamiento, "fue publicado el 17 de noviembre en la revista Investigación de revisión física .


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