Dans l'eau (structures rouges et blanches), l'interaction directe entre le graphène (gris) et un ion thiocyanate (SCN‒) (jaune) provoque l'adsorption de l'ion à la surface. Les lignes vertes et bleues représentent les impulsions lumineuses incidentes et réfléchies au cours de la spectroscopie de génération de seconde harmonique ultraviolette. Crédit :Richard Saykally et Phillip Geissler, Université de Californie, Laboratoire national de Berkeley et Lawrence Berkeley
La façon dont les ions adhèrent aux surfaces influence grandement les processus vitaux dans tout, des purificateurs d'eau aux batteries. Depuis des décennies, les scientifiques ont débattu de la mécanique d'une telle liaison, ou adsorption. Certains ions dans l'eau ne se sont pas adsorbés sur une surface comme prévu. Maintenant, les scientifiques savent pourquoi. En étudiant une surface de graphène immergée dans l'eau, les scientifiques ont montré qu'une interaction entre le graphène et un ion entraîne l'adsorption, contrairement au cas de l'interface air/eau.
En matière d'adsorption d'ions, il y a des subtils, mais important, différences à l'échelle moléculaire. Ainsi, les scientifiques doivent tenir compte de ces différences lorsqu'ils travaillent avec des ions et des surfaces dans l'eau. Ces interactions sont présentes dans tout, de la construction de la batterie à la signalisation nerveuse en passant par la formation de nuages.
Dans de nombreux domaines de la science et de la technologie, l'adsorption des ions aux interfaces aqueuses joue un rôle clé. Pendant longtemps, les textes de chimie et de physique ont déclaré que tous les ions sont repoussés des interfaces entre l'eau et un matériau hydrophobe. Cependant, de nouvelles expériences et simulations informatiques ont montré que certains ions, appelés ions chaotropes, ne suivez pas ce modèle. Les chercheurs ont étudié pourquoi ces ions s'adsorbent différemment.
Ils ont examiné des ions thiocyanate collés à une feuille de graphène (une fine couche de surface de carbone non chargée) immergé dans l'eau. En utilisant des mesures de génération de deuxième harmonique dans l'ultraviolet profond de l'ion, ainsi que les simulations informatiques associées, l'équipe a déterminé l'énergie libre d'adsorption ionique. Alors que l'énergie libre impliquée dans l'adsorption de l'ion à l'interface graphène/eau est presque identique à la valeur correspondante pour une interface air/eau, la recherche montre que les mécanismes impliqués sont totalement différents.
Alors que l'adsorption à l'interface air/eau est dominée par la répartition des solvants, dans lequel les molécules d'eau changent de position et d'orientation près de l'ion, les interactions directes de l'ion avec le graphène dominent dans le cas des interfaces graphène/eau.
