Los científicos de materiales han estudiado exhaustivamente la permeación rápida de iones en canales de nanofluidos en las últimas décadas debido a su potencial dentro de las tecnologías de filtración y recolección de energía osmótica. Si bien aún no se han comprendido los mecanismos subyacentes al transporte de iones, el proceso se puede lograr en nanocanales desarrollados de una manera cuidadosamente regulada.
En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Yu Jiang y un equipo de investigación en química física de superficies sólidas en China describieron el desarrollo de nanocanales bidimensionales cuyas paredes superior e inferior contienen cristales de grafito y mica atómicamente planos.
Las distintas estructuras y propiedades de las paredes permitieron la investigación de las interacciones entre iones y superficies interiores. El equipo observó un transporte de iones mejorado dentro de los canales que es mucho más rápido que en las soluciones a granel, lo que proporciona información sobre los efectos de la superficie en el transporte de iones a nanoescala.
Los mecanismos de transporte de iones a nanoescala pueden superar a sus homólogos a macroescala debido a sus velocidades de transporte. Los ejemplos incluyen el flujo rápido de iones a través de canales de proteínas en las membranas celulares en un proceso que es crítico para el funcionamiento esencial de la vida. Estos incluyen la permeación de iones a través de membranas nanoporosas para la purificación del agua, la separación de iones y la generación de energía osmótica. Para comprender los mecanismos del transporte rápido de iones a nanoescala, los investigadores deben crear nanocanales con una geometría y estructuras interiores bien reguladas.
Yu Jiang y su equipo investigaron el origen del transporte iónico rápido dentro de nanocanales que contienen sitios de adsorción de iones en el interior. El diseño simplificado minimizó la posibilidad de contaminar el interior de los canales con productos químicos y polímeros durante la fabricación para estudiar los efectos de la adsorción en superficies impecables.
Durante los experimentos, Jiang y sus colegas ensamblaron cristales de grafito y mica exfoliados mecánicamente y los transfirieron a una abertura sobre sustratos de silicio. Alinearon las heteroestructuras de grafito/mica con la apertura de la cubierta de la capa superior de grafito, mientras que la capa inferior se alineó con la apertura en sus bordes según lo determinado por el método de transferencia.
Los científicos utilizaron un microscopio de fuerza atómica para medir el espesor del grafito superior de la mica en soluciones acuosas. Luego midieron la altura media de las superficies de mica y grafito en la región del canal. Dado que las capas de grafito y mica pueden deslaminarse a altas concentraciones de sal de 2 M con corrientes iónicas relativamente grandes a través de los canales, utilizaron soluciones con concentraciones de sal iguales o inferiores a 0,1 M para mayor precisión experimental.
Experimentos adicionales
Los científicos estimaron la altura efectiva de los canales vistos por los iones y confirmaron la altura caracterizada por microscopía de fuerza atómica. Durante los experimentos, llenaron los dos depósitos con varias soluciones de cloruro de concentraciones de 0,1 M y 0,01 M, respectivamente, para crear un gradiente de concentración.
Jiang y sus colegas estudiaron los efectos superficiales del interior del canal sobre el transporte de iones y midieron la conductividad iónica del cloruro de potasio en función de su concentración aparente. El equipo investigó el proceso de transporte de iones en los canales de G-mica y redujo el número de posibles mecanismos mediante la realización de mediciones adicionales.
La alta conductancia y la adsorción selectiva de iones en las superficies de mica indicaron una considerable difusión superficial. Los científicos introdujeron una expresión cuantitativa para el transporte de iones en los canales de grafito-mica para proporcionar información sobre los mecanismos relacionados.
Describieron que la conductividad de la superficie se debe a la migración de cationes adsorbidos mientras consideraban la densidad efectiva del número de sales en la superficie, la movilidad de la superficie de los cationes adsorbidos y se centraron en el transporte de cationes monovalentes. La energía de adsorción relativamente grande de los cationes limitó su desorción, antes de la migración para resaltar la importancia de la mica para el transporte de iones.
De esta manera, Yu Jiang y sus colegas destacaron la difusión superficial como una vía de transporte de iones adicional en los nanofluidos para proporcionar una conductividad iónica que es órdenes de magnitud mayor que en las soluciones a granel. El valor se encuentra entre los más altos reportados en nanocanales individuales. La capacidad de crear canales utilizando cristales del grupo de la mica que tienen preferencias de adsorber diversos cationes puede distinguir iones que dependen de sus energías de adsorción para aplicaciones de detección y transporte de iones.
Más información: Yu Jiang et al, Transporte de iones mejorado por difusión superficial a través de nanocanales bidimensionales, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493
Información de la revista: Avances científicos
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