Jusqu'à maintenant, le phénomène de transport ionique à l'échelle nanométrique est resté un mystère pour les chercheurs. Les dernières recherches du Centre Monash pour les matériaux atomiquement minces (MCATM) de l'Université Monash ont maintenant révélé une nouvelle, méthode peu coûteuse et fiable pour étudier la façon dont les ions se déplacent à travers de minuscules, canaux de taille nanométrique. Ces recherches pourraient détenir la clé d'applications telles que le stockage d'énergie à haute puissance, un dessalement efficace, et la bioélectronique telle que la modulation de la signalisation neuronale.

Précédemment, étudier le transport ionique nano-confiné n'était possible qu'en coupant des nano-canaux dans un processus connu sous le nom de photolithographie. Cette méthode était coûteuse, avaient de faibles taux de réussite, et les limites de résolution. Cependant, utilisant un procédé similaire à la fabrication du papier, les chercheurs du MCATM ont développé une technique à base de graphène pour fabriquer des nanocanaux, ce qui est simple, bon marché et facilement évolutif.

Selon le premier auteur de la recherche, Dr Chi Cheng, un chercheur postdoctoral du MCATM, "Le travail démontre une manière non conventionnelle d'utiliser le graphène pour fabriquer des dispositifs nanofluidiques, un nouvel outil de recherche réglable à des échelles de longueur qui ne peuvent être atteintes avec aucun autre matériau. Avec ça, nous sommes capables de dévoiler les fondamentaux, des comportements de transport d'ions encore inhabituels en fonction de la taille du canal sur l'ensemble des échelles de longueur inférieures à 10 nm."

Simplement en empilant plusieurs couches de feuilles de graphène, Le Dr Cheng et ses collègues ont créé un matériau de membrane macroscopique, qui abrite une série de nanofentes en cascade. Les minuscules ouvertures de la membrane sont comme un labyrinthe, que les ions doivent traverser, permettant ainsi aux chercheurs de commencer à comprendre le mouvement des ions sous un niveau de restriction inférieur à 10 nanomètres.

En manipulant les interactions faibles entre les couches de graphène voisines, l'espacement entre les couches peut être facilement ajusté. Contre-intuitivement, les ions ont été vus se déplacer à des vitesses beaucoup plus élevées à mesure que l'espacement diminue, accélérer à travers les chemins tortueux entre les couches de graphène sous potentiel électrique.

Les simulations informatiques ont fourni un outil indispensable dans l'étude du Dr Cheng, complimentant ses expériences, qui a sondé les propriétés de transport ionique dans les membranes de graphène.

Maître de conférences Dr Jefferson Zhe Liu, l'un des encadrants de cette recherche avec une expertise sur le continuum et les simulations atomistiques, a déclaré que l'étude révèle une relation d'échelle anormale pour le transport des ions dans le système de nanofente en cascade unique enfermé dans des membranes de graphène.

"Une combinaison de membranes de graphène accordables dans des expériences et des simulations informatiques nous permet d'obtenir un modèle de microstructure statistiquement représentatif des nanofentes en cascade uniques dans les membranes de graphène, ce qui n'était pas possible dans les études précédentes, " a déclaré le Dr Liu.

Responsable de recherche et directeur du MCATM, Professeur Dan Li, était enthousiasmé par l'impact potentiel de ce développement.

« Transport ionique nano-confiné, ou nanoioniques, est cruciale pour les nouvelles technologies liées à l'énergie, l'eau, et la biomédecine. Il a été difficile d'étudier quantitativement les nano-ioniques en raison du manque de matériaux nano-ioniques dont la taille des caractéristiques peut être ajustée à l'échelle nanométrique critique. La facilité de production évolutive et l'excellente accordabilité structurelle font de nos membranes de graphène une plate-forme expérimentale exceptionnelle pour explorer de nouveaux phénomènes nano-ioniques passionnants. Il permet également de transférer très facilement les découvertes fondamentales vers les innovations technologiques, permettant la haute technologie de nouvelle génération dans le stockage et la conversion d'énergie, séparation membranaire et dispositifs biomédicaux. C'est un domaine très excitant que nous prévoyons de poursuivre dans les années à venir, " dit le professeur Li.

La recherche est publiée dans Avancées scientifiques .