Les scientifiques des matériaux ont étudié de manière approfondie la perméation rapide des ions dans les canaux nanofluidiques au cours des dernières décennies en raison de leur potentiel dans les technologies de filtration et de récupération d'énergie osmotique. Bien que les mécanismes sous-jacents au transport des ions restent encore à comprendre, le processus peut être réalisé dans des nanocanaux développés de manière soigneusement réglementée.
Dans un nouveau rapport désormais publié dans Science Advances , Yu Jiang et une équipe de recherche en chimie physique des surfaces solides en Chine ont décrit le développement de nanocanaux bidimensionnels dont les parois supérieure et inférieure contiennent des cristaux de graphite et de mica atomiquement plats.
Les structures et propriétés distinctes des parois ont permis d’étudier les interactions entre les ions et les surfaces intérieures. L'équipe a noté une amélioration du transport des ions dans les canaux, qui est plusieurs fois plus rapide que dans les solutions en vrac, fournissant ainsi un aperçu des effets de surface sur le transport des ions à l'échelle nanométrique.
Les mécanismes de transport d'ions à l'échelle nanométrique peuvent surpasser leurs homologues à l'échelle macro en raison de leurs taux de transport. Les exemples incluent le flux rapide d’ions à travers les canaux protéiques des membranes cellulaires dans un processus essentiel au fonctionnement essentiel de la vie. Il s'agit notamment de la perméation ionique à travers des membranes nanoporeuses pour la purification de l'eau, la séparation des ions et la production d'énergie osmotique. Pour comprendre les mécanismes du transport rapide des ions à l'échelle nanométrique, les chercheurs doivent créer des nanocanaux avec une géométrie et des structures intérieures bien régulées.
Yu Jiang et son équipe ont étudié l'origine du transport ionique rapide dans les nanocanaux contenant des sites d'adsorption d'ions à l'intérieur. La conception simplifiée a minimisé le risque de contamination de l'intérieur des canaux avec des produits chimiques et des polymères pendant la fabrication afin d'étudier les effets d'adsorption sur des surfaces vierges.
Au cours des expériences, Jiang et ses collègues ont assemblé des cristaux de graphite et de mica exfoliés mécaniquement et les ont transférés dans une ouverture sur des substrats de silicium. Ils ont aligné les hétérostructures graphite/mica avec l'ouverture de la couche supérieure de graphite, tandis que la couche inférieure s'est alignée avec l'ouverture sur leurs bords, comme déterminé par la méthode de transfert.
Les scientifiques ont utilisé un microscope à force atomique pour mesurer l'épaisseur du graphite supérieur sur le mica dans des solutions aqueuses. Ils ont ensuite mesuré la hauteur moyenne des surfaces de mica et de graphite dans la région du canal. Étant donné que les couches de graphite et de mica peuvent se délaminer à des concentrations de sel élevées de 2 M avec des courants ioniques relativement importants à travers les canaux, ils ont utilisé des solutions avec des concentrations de sel égales ou inférieures à 0,1 M pour une précision expérimentale.
Expériences supplémentaires
Les scientifiques ont estimé la hauteur effective des canaux vus par les ions et ont confirmé la hauteur caractérisée par microscopie à force atomique. Au cours des expériences, ils ont rempli les deux réservoirs avec diverses solutions de chlorure de concentrations respectives de 0,1 M et 0,01 M pour créer un gradient de concentration.
Jiang et ses collègues ont étudié les effets de surface de l'intérieur du canal sur le transport des ions et ont mesuré la conductivité ionique du chlorure de potassium en fonction de sa concentration globale. L'équipe a étudié le processus de transport des ions dans les canaux G-mica et a réduit le nombre de mécanismes possibles en effectuant des mesures supplémentaires.
La conductance élevée et l'adsorption sélective des ions sur les surfaces de mica indiquent une diffusion superficielle considérable. Les scientifiques ont introduit une expression quantitative du transport d'ions dans les canaux graphite-mica afin de mieux comprendre les mécanismes associés.
Ils ont décrit la conductivité de surface comme étant due à la migration des cations adsorbés tout en considérant la densité effective du nombre de sels de surface, la mobilité de surface des cations adsorbés et se sont concentrés sur le transport des cations monovalents. L'énergie d'adsorption relativement importante des cations a limité leur désorption, avant migration, soulignant l'importance du mica pour le transport des ions.
De cette manière, Yu Jiang et ses collègues ont mis en évidence la diffusion de surface comme voie de transport d’ions supplémentaire dans la nanofluidique pour fournir une conductivité ionique plusieurs fois supérieure à celle des solutions en vrac. La valeur est parmi les plus élevées signalées par des nanocanaux uniques. La capacité de créer des canaux à l'aide de cristaux du groupe mica qui ont des préférences d'adsorption de divers cations permet de distinguer les ions qui dépendent de leurs énergies d'adsorption pour les applications de transport et de détection d'ions.
Plus d'informations : Yu Jiang et al, Transport d'ions amélioré par diffusion de surface via des nanocanaux bidimensionnels, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adi8493
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