Une équipe de recherche dirigée par des ingénieurs de la Northwestern University et des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne a découvert de nouvelles découvertes sur le rôle de l'interaction ionique dans le graphène et l'eau. Les informations pourraient éclairer la conception de nouvelles électrodes à haut rendement énergétique pour les batteries ou fournir les matériaux ioniques de base pour les applications informatiques neuromorphiques.

Connu pour posséder des propriétés extraordinaires, de la résistance mécanique à la conductivité électronique en passant par la transparence de mouillage, le graphène joue un rôle important dans de nombreuses applications environnementales et énergétiques, comme le dessalement de l'eau, stockage d'énergie électrochimique, et la récupération d'énergie. Les interactions électrostatiques médiées par l'eau entraînent les processus chimiques derrière ces technologies, rendre la capacité de quantifier les interactions entre le graphène, ions, et des molécules chargées d'une importance vitale pour concevoir des itérations plus efficientes et efficaces.

"Chaque fois que vous avez des interactions avec des ions dans la matière, le médium est très important. L'eau joue un rôle essentiel dans la médiation des interactions entre les ions, molécules, et interfaces, qui conduisent à une variété de processus naturels et technologiques, " a déclaré Monica Olvera de La Cruz, Avocat Taylor Professeur de science et d'ingénierie des matériaux, qui a dirigé la recherche. "Encore, il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas sur la façon dont les interactions médiées par l'eau sont influencées par le nanoconfinement à l'échelle nanométrique. »

En utilisant des simulations de modèles informatiques à Northwestern Engineering et des expériences de réflectivité des rayons X à Argonne, l'équipe de recherche a étudié l'interaction entre deux ions de charges opposées dans différentes positions dans l'eau confinée entre deux surfaces de graphène. Ils ont constaté que la force de l'interaction n'était pas équivalente lorsque les positions des ions étaient interverties. Cette rupture de symétrie, que les chercheurs ont baptisé interactions non réciproques, est un phénomène qui n'avait pas été prédit par la théorie électrostatique.

Les chercheurs ont également découvert que l'interaction entre des ions de charge opposée devenait répulsive lorsqu'un ion était inséré dans les couches de graphène, et l'autre a été absorbé à l'interface.

« De notre travail, on peut conclure que la structure de l'eau à elle seule près des interfaces ne peut pas déterminer les interactions électrostatiques effectives entre les ions, " a déclaré Felipe Jimenez-Angeles, associé de recherche principal au Centre de calcul et de théorie des matériaux mous de Northwestern Engineering et auteur principal de l'étude. "La non-réciprocité que nous avons observée implique que les interactions ion-ion à l'interface n'obéissent pas aux symétries isotropes et translationnelles de la loi de Coulomb et peuvent être présentes dans les modèles polarisables et non polarisables. Cette polarisation non symétrique de l'eau affecte notre compréhension de mécanismes de différenciation ionique tels que la sélectivité ionique et la spécificité ionique."

"Ces résultats révèlent une autre couche de la complexité de la façon dont les ions interagissent avec les interfaces, " a déclaré Paul Fenter, un scientifique senior et chef de groupe à la Division des sciences et de l'ingénierie chimiques à Argonne, qui a dirigé les mesures de rayons X de l'étude à l'aide de la source de photons avancée d'Argonne. "Significativement, ces informations proviennent de simulations validées par rapport à des observations expérimentales pour le même système. »

Ces résultats pourraient influencer la conception future des membranes pour l'adsorption sélective des ions utilisées dans les technologies environnementales, comme les procédés de purification de l'eau, batteries et condensateurs pour le stockage d'énergie électrique, et la caractérisation de biomolécules, comme les protéines et l'ADN.

La compréhension de l'interaction ionique pourrait également avoir un impact sur les progrès de l'informatique neuromorphique, où les ordinateurs fonctionnent comme des cerveaux humains pour effectuer des tâches complexes beaucoup plus efficacement que les ordinateurs actuels. Le lithium-ion peut atteindre la plasticité, par exemple, en étant inséré ou retiré des couches de graphène dans des dispositifs neuromorphiques.

"Le graphène est un matériau idéal pour les appareils qui transmettent des signaux via le transport ionique dans les électrolytes pour les applications neuromorphiques, " a déclaré Olvera de la Cruz. "Notre étude a démontré que les interactions entre les ions intercalés dans le graphène et les ions physiquement adsorbés dans l'électrolyte sont répulsives, affectant la mécanique de ces appareils.

L'étude fournit aux chercheurs une compréhension fondamentale des interactions électrostatiques dans les milieux aqueux à proximité des interfaces qui vont au-delà de la relation de l'eau avec le graphène, ce qui est crucial pour l'étude d'autres processus en physique et en sciences.

"Le graphène est une surface régulière, mais ces découvertes peuvent aider à expliquer les interactions électrostatiques dans des molécules plus complexes, comme les protéines, " a déclaré Jimenez-Angeles. "Nous savons que ce qu'il y a à l'intérieur de la protéine et les charges électrostatiques à l'extérieur sont importants. Ce travail nous donne une nouvelle opportunité d'explorer et d'examiner ces interactions importantes."

Un document décrivant le travail, intitulé « Interactions non réciproques induites par l'eau en confinement, " a été publié le 17 novembre dans la revue Examen physique de la recherche .