(A) En haut :Images de microscopie électronique à balayage de la section transversale des membranes LGG avec dexp compressé à 3,2 nm (gauche) et 0,5 nm (droite), respectivement. En bas :motifs SANS isotropes des membranes de gel compressé avec dexpof 3,9 nm (gauche) et 0,5 nm (droite), respectivement. L'encart dans le coin supérieur gauche est une photographie de la membrane LGG. (B) Un schéma montrant la formation d'un réseau de nanofentes en cascade grâce à l'empilement parallèle de plusieurs nanofeuillets de graphène. L, ré, et δ sont les variables géométriques clés du modèle structurel proposé pour décrire la structure poreuse de la membrane LGG. (C) Réduction du décalage des données 1D SANS par rapport à l'échelle d'intensité absolue. L'encart supérieur à droite montre la pente F des régressions linéaires dans la plage q de 0,001 à 0,01 Å−1 en fonction de dexp.
Les recherches de l'ANSTO ont contribué à la compréhension du mécanisme de transport des ions dans le graphène, un matériau hautement conducteur d'électricité qui a été étudié pour une utilisation dans l'électronique flexible et des formes innovantes de stockage et de conversion d'énergie.
La diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) à l'aide de l'instrument Quokka a permis de mieux comprendre comment les ions sont transportés au niveau nano dans des membranes empilées de graphène, matériaux qui ont de nombreuses propriétés uniques. La recherche visait à développer le graphène en un matériau plus polyvalent.
Scientifique des instruments Chris Garvey, qui a effectué les mesures SANS sur Quokka, et les co-auteurs de l'Université Monash ont publié leurs conclusions dans Avancées scientifiques .
En utilisant la puissance complémentaire de l'expérience de diffusion de neutrons et de la simulation informatique, ils ont trouvé une relation quantitative robuste entre les propriétés de perméation macroscopique des membranes à base de graphène et leur structure nanofendue complexe.
Ils ont signalé que la diffusion des ions et les effets électrocinétiques sont différents lorsque les échelles de longueur entre les feuilles sont inférieures à 10 nanomètres.
Co-auteur et pionnier du graphène, le professeur Dan Li, également de l'Université Monash, a précédemment déclaré que le défi de fabriquer des objets utiles à partir du graphène a été de surmonter sa structure serrée, seulement un atome d'épaisseur, pour les autres molécules, comme les ions, d'interagir avec elle.
Parce que les feuilles de graphène ont tendance à se réempiler en graphite lorsqu'elles sont placées près les unes des autres, Le professeur Li a développé un film de gel de graphène comme plate-forme stable. Le graphène peut être utilisé comme électrode lorsque des électrolytes liquides sont ajoutés.
Les chercheurs ont assemblé une structure de membrane de graphène en couches massives avec des nanocanaux dans le cadre d'un processus développé par l'auteur principal, le Dr Chi Cheng, du Monash Center for Atomically Thin Materials pour l'étude. Le matériau de la membrane abrite une série de fentes en cascade. Les ions doivent se déplacer à travers les minuscules fentes de la membrane.
Imperfections structurelles, la hauteur des nanofentes (taille du canal), la taille latérale des nanofeuillets individuels et l'espace entre les extrémités des feuilles, affecter le transport des ions.
Pour les enquêtes, les chercheurs ont modifié la taille du canal de 10 nanomètres à moins d'un nanomètre.
L'analyse à l'aide de mesures SANS a confirmé que le nanoespace entre les feuilles ne s'effondrait pas complètement lors de la compression et que les nanofentes en cascade restent largement continues.
"Nous essayions de comprendre les trous à l'intérieur des nanofeuillets, où s'écoule le fluide ionique", a déclaré Garvey.
"Il y a une charge se déplaçant à travers la membrane qui génère une certaine forme de champ électrique et qui affecte la façon dont les choses sont transportées à travers elle, " a déclaré Garvey.
"Les données qui sont acquises à partir de Quokka sont d'une simplicité trompeuse, " a expliqué Garvey. " Pour obtenir une image détaillée du matériau, il faut réduire les possibilités structurelles, ce qui est assez difficile."
Bien que la mesure à l'aide de neutrons froids sur Quokka n'ait pris qu'un jour et demi, l'analyse s'est étendue à deux ans.
L'analyse des données de Quokka peut être utilisée pour étudier des échelles de longueur allant du 1/10 d'angström à quelques centaines de nanomètres.
« Nous pouvons simultanément « regarder » de nombreux objets qui s'étendent sur cette vaste gamme de tailles, c'est la puissance de la diffusion aux petits angles, " a déclaré Garvey. " En revanche, l'imagerie spatiale réelle, comme la microscopie, est capable de regarder peu d'objets dans le champ de vision."
L'espacement intercouche s'est avéré être l'indice structurel dominant qui changeait avec la compression des nanofeuillets et affectait la diffusion ionique et les effets électrocinétiques.
Aux échelles de longueur inférieures à 10 nanomètres, le gradient de concentration et le champ électrique étaient déterminés par la taille du canal.
À des échelles de longueur inférieures à deux nanomètres, les auteurs soupçonnaient que des circuits nanofluidiques en cascade complexes pouvaient conduire au nouveau phénomène de transport d'ions nano-confinés.
Les résultats n'ont pas été observés dans les nanocanaux traditionnels à une dimension.
L'équipe de l'Université Monash a découvert qu'en manipulant les interactions faibles entre les couches de graphène voisines, l'espacement entre les couches pouvait être ajusté.
Ils ont conçu une gamme de scénarios de transport d'ions à travers le système de nanofentes en cascade et comment il a été affecté par la géométrie structurelle, qui était en accord avec les données expérimentales.
Les simulations conçues par les auteurs ont suggéré que le matériau pourrait être rendu accordable en ajustant la taille des espacements dans les nanocanaux.
"Bien qu'il soit connu que le comportement du transport d'ions confiné dans les nanocanaux pourrait être différent de celui en vrac, ceci n'avait pas été exploité dans le cadre d'un pore électriquement conducteur. De tels matériaux à base de graphène ouvrent des possibilités passionnantes en science des matériaux », a déclaré Garvey.