Neues Verständnis der Wechselwirkungen von Ionen mit Graphen und Wasser könnte Wasserreinigungsprozesse und elektrische Energiespeicher verbessern

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Ein Forscherteam unter der Leitung von Northwestern-Ingenieuren und Forschern des Argonne National Laboratory hat neue Erkenntnisse über die Rolle der ionischen Interaktion innerhalb von Graphen und Wasser aufgedeckt.

Die Erkenntnisse könnten das Design neuer energieeffizienter Elektroden für Batterien informieren oder das Rückgrat ionischer Materialien für neuromorphe Computeranwendungen bilden.
Graphen ist bekannt für seine außergewöhnlichen Eigenschaften, von der mechanischen Festigkeit über die elektronische Leitfähigkeit bis hin zur Benetzungs-Transparenz, und spielt eine wichtige Rolle in vielen Umwelt- und Energieanwendungen, wie z.B. der Wasserentsalzung, der elektrochemischen Energiespeicherung und dem Energy Harvesting.

Durch Wasser vermittelte elektrostatische Wechselwirkungen treiben die chemischen Prozesse hinter diesen Technologien an, so dass die Fähigkeit, die Wechselwirkungen zwischen Graphen, Ionen und geladenen Molekülen zu quantifizieren, von entscheidender Bedeutung ist, um effizientere und effektivere Iterationen zu entwickeln.

“Immer wenn man Wechselwirkungen mit Ionen in der Materie hat, ist das Medium sehr wichtig.

Wasser spielt eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung von Wechselwirkungen zwischen Ionen, Molekülen und Grenzflächen, die zu einer Vielzahl von natürlichen und technologischen Prozessen führen”, sagte Monica Olvera de La Cruz, Lawyer Taylor Professor of Materials Science and Engineering, die die Forschung leitete. “Dennoch gibt es viel, was wir nicht darüber verstehen, wie wasservermittelte Wechselwirkungen durch Nanokonzentration auf der Nanoskala beeinflusst werden.”

Mit Hilfe von Computermodell-Simulationen an der Northwestern Engineering und Röntgenreflexionsexperimenten in Argonne untersuchte das Forscherteam die Wechselwirkung zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Ionen in verschiedenen Positionen in Wasser, das zwischen zwei Graphenoberflächen eingeschlossen ist.

Sie fanden heraus, dass die Stärke der Wechselwirkung nicht gleich ist, wenn die Positionen der Ionen vertauscht werden.

Dieser Bruch der Symmetrie, den die Forscher als nicht-reziproke Wechselwirkung bezeichneten, ist ein Phänomen, das die elektrostatische Theorie bisher nicht vorhergesagt hatte.
Die Forscher fanden auch heraus, dass die Wechselwirkung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen abstoßend wurde, wenn ein Ion in die Graphenschichten eingebracht wurde und das andere an der Grenzfläche absorbiert wurde.
“Aus unserer Arbeit kann man schließen, dass die Wasserstruktur allein in der Nähe von Grenzflächen die effektiven elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Ionen nicht bestimmen kann”, sagte Felipe Jimenez-Angeles, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter im Northwestern Engineering’s Center for Computation and Theory of Soft Materials und ein Hauptautor der Studie. “Die von uns beobachtete Nicht-Reziprozität impliziert, dass Ionen-Ionen-Wechselwirkungen an der Grenzfläche nicht den isotropen und translatorischen Symmetrien des Coulombschen Gesetzes gehorchen und sowohl in polarisierbaren als auch in nicht-polarisierbaren Modellen vorhanden sein können.

Diese nicht-symmetrische Wasserpolarisation beeinflusst unser Verständnis von Ionendifferenzierungsmechanismen wie Ionenselektivität und Ionenspezifität.”
“Diese Ergebnisse offenbaren eine weitere Schicht der Komplexität, wie Ionen mit Grenzflächen interagieren”, sagte Paul Fenter, ein leitender Wissenschaftler und Gruppenleiter in der Chemical Sciences and Engineering Division bei Argonne, der die Röntgenmessungen der Studie mit der Advanced Photon Source von Argonne leitete. “Bezeichnenderweise stammen diese Erkenntnisse aus Simulationen, die mit experimentellen Beobachtungen für dasselbe System validiert wurden.”
Diese Ergebnisse könnten das zukünftige Design von Membranen für die selektive Ionenadsorption beeinflussen, die in Umwelttechnologien wie Wasserreinigungsprozessen, Batterien und Kondensatoren für die Speicherung elektrischer Energie und die Charakterisierung von Biomolekülen wie Proteinen und DNA eingesetzt werden.
Das Verständnis der Ioneninteraktion könnte sich auch auf Fortschritte im Bereich des neuromorphen Computings auswirken – bei dem Computer wie menschliche Gehirne funktionieren, um komplexe Aufgaben viel effizienter als aktuelle Computer auszuführen. Lithium-Ionen können zum Beispiel Plastizität erreichen, indem sie in neuromorphe Geräte in Graphen-Schichten eingefügt oder aus ihnen entfernt werden.
“Graphen ist ein ideales Material für Geräte, die Signale über Ionentransport in Elektrolyten für neuromorphe Anwendungen übertragen”, sagt Olvera de la Cruz. “Unsere Studie hat gezeigt, dass die Wechselwirkungen zwischen den interkalierten Ionen im Graphen und den physikalisch adsorbierten Ionen im Elektrolyten abstoßend sind, was die Mechanik solcher Geräte beeinflusst.”
Die Studie liefert den Forschern ein grundlegendes Verständnis der elektrostatischen Wechselwirkungen in wässrigen Medien in der Nähe von Grenzflächen, die über die Beziehung zwischen Wasser und Graphen hinausgehen, was für die Untersuchung anderer Prozesse in der Physik und den Naturwissenschaften entscheidend ist.
“Graphen ist eine gewöhnliche Oberfläche, aber diese Erkenntnisse können helfen, elektrostatische Wechselwirkungen in komplexeren Molekülen, wie Proteinen, zu erklären”, sagt Jimenez-Angeles. “Wir wissen, dass es darauf ankommt, was sich im Inneren des Proteins befindet und wie die elektrostatischen Ladungen außerhalb des Proteins sind.

Diese Arbeit gibt uns eine neue Möglichkeit, diese wichtigen Wechselwirkungen zu erforschen und zu betrachten.”
Referenz: “Nonreciprocal interactions induced by water in confinement” von Felipe Jiménez-Ángeles, Katherine J. Harmon, Trung Dac Nguyen, Paul Fenter und Monica Olvera de la Cruz, 17. November 2020, Physical Review R

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