(A) Arriba:Imágenes de microscopía electrónica de barrido de la sección transversal de las membranas LGG con dexp comprimido a 3,2 nm (izquierda) y 0,5 nm (derecha), respectivamente. Abajo:patrones SANS isotrópicos de las membranas de gel comprimido con dexp de 3.9 nm (izquierda) y 0.5 nm (derecha), respectivamente. El recuadro en la esquina superior izquierda es una fotografía de la membrana LGG. (B) Un esquema que muestra la formación de una serie de nanopartículas en cascada mediante el apilamiento paralelo de múltiples nanohojas de grafeno. L, D, y δ son las variables geométricas clave del modelo estructural propuesto para describir la estructura porosa de la membrana LGG. (C) Desplazamiento de datos 1D SANS reducido de la escala de intensidad absoluta. El recuadro superior a la derecha muestra la pendiente F de las regresiones lineales en el rango q de 0,001 a 0,01 Å − 1 en función de dexp.
La investigación de ANSTO ha contribuido a comprender el mecanismo de transporte de iones en el grafeno, un material altamente conductor de electricidad que se ha investigado para su uso en electrónica flexible y formas innovadoras de almacenamiento y conversión de energía.
La dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) utilizando el instrumento Quokka ha aportado información sobre cómo se transportan los iones a nivel nano en membranas apiladas de grafeno. materiales que tienen muchas propiedades únicas. La investigación tenía como objetivo convertir el grafeno en un material más versátil.
Científico de instrumentos Chris Garvey, que realizó las mediciones SANS en Quokka, y coautores de la Universidad de Monash han publicado sus hallazgos en Avances de la ciencia .
Usando el poder complementario del experimento de dispersión de neutrones y la simulación por computadora, encontraron una relación cuantitativa robusta entre las propiedades de permeación macroscópica de las membranas basadas en grafeno y su compleja estructura nano-iluminada.
Informaron que tanto la difusión de iones como los efectos electrocinéticos son diferentes cuando las escalas de longitud entre las hojas son menores de 10 nanómetros.
El coautor y pionero del grafeno, el profesor Dan Li, también de la Universidad de Monash, ha declarado anteriormente que el desafío de hacer cosas útiles con grafeno ha sido superar su estructura compacta, solo un átomo de espesor, para otras moléculas, como los iones, para interactuar con él.
Debido a que las hojas de grafeno son propensas a apilarse en grafito cuando se colocan juntas, El profesor Li desarrolló una película de gel de grafeno como plataforma estable. El grafeno se puede utilizar como electrodo cuando se agregan electrolitos líquidos.
Los investigadores ensamblaron una estructura de membrana de grafeno en capas a granel con nanocanales en un proceso desarrollado por el autor principal, el Dr. Chi Cheng, en el Centro Monash de Materiales Atómicamente Delgados para el estudio. El material de la membrana alberga una serie de hendiduras en cascada. Los iones deben moverse a través de las diminutas ranuras de la membrana.
Imperfecciones estructurales, la altura de las nanopartículas (tamaño del canal), el tamaño lateral de las nanohojas individuales y el espacio entre los extremos de las hojas, afectar el transporte de iones.
Para las investigaciones, los investigadores modificaron el tamaño del canal de 10 nanómetros a menos de un nanómetro.
El análisis que utilizó mediciones de SANS confirmó que el nanoespacio entre las hojas no colapsó por completo cuando se comprimió y que las nanopartículas en cascada permanecieron en gran medida continuas.
"Estábamos tratando de comprender los agujeros dentro de las nanohojas, donde fluye el fluido iónico ", dijo Garvey.
"Hay una carga que se mueve a través de la membrana que genera algún tipo de campo eléctrico y que afecta la forma en que se transportan las cosas a través de ella". "dijo Garvey.
"Los datos que se obtienen de Quokka son engañosamente simples, ", explicó Garvey." Obtener una imagen detallada del material implica reducir las posibilidades estructurales, lo cual es bastante desafiante ".
Aunque la medición con neutrones fríos en Quokka tomó solo un día y medio, el análisis se extendió a dos años.
El análisis de los datos de Quokka se puede utilizar para investigar escalas de longitud desde 1/10 de un angstrom hasta un par de cientos de nanómetros.
"Podemos 'mirar' simultáneamente muchos objetos que se extienden sobre una amplia gama de tamaños, ese es el poder de la dispersión de ángulos pequeños, ", dijo Garvey." Por el contrario, las imágenes espaciales reales, como microscopía, es capaz de mirar pocos objetos en el campo de visión ".
Se descubrió que el espaciado entre capas era el índice estructural dominante que cambiaba con la compresión de las nanoláminas y afectaba la difusión de iones y los efectos electrocinéticos.
En escalas de longitud de menos de 10 nanómetros, el gradiente de concentración y el campo eléctrico fueron impulsados por el tamaño del canal.
En escalas de longitud por debajo de dos nanómetros, los autores sospecharon que los complejos circuitos nanofluídicos en cascada pueden conducir a los nuevos fenómenos de transporte de iones nanoconfinados.
Los hallazgos no se han observado en los nanocanales unidimensionales tradicionales.
El equipo de la Universidad de Monash descubrió que manipular interacciones débiles entre capas de grafeno vecinas permite ajustar el espaciado entre capas.
Idearon una variedad de escenarios de transporte de iones a través del sistema de nano-iluminación en cascada y cómo se vio afectado por la geometría estructural. que coincidió con los datos del experimento.
Las simulaciones ideadas por los autores sugirieron que el material podría hacerse sintonizable ajustando el tamaño de los espacios en los nanocanales.
"Aunque se sabía que el comportamiento del transporte de iones confinado en nanocanales podría ser diferente al de la masa, esto no se había aprovechado en el contexto de un poro conductor de electricidad. Estos materiales basados en grafeno abren posibilidades interesantes en la ciencia de los materiales ", dijo Garvey.
