Uma equipe de pesquisa liderada por engenheiros da Northwestern University e pesquisadores do Argonne National Laboratory descobriu novas descobertas sobre o papel da interação iônica dentro do grafeno e da água. Os insights podem informar o projeto de novos eletrodos de eficiência energética para baterias ou fornecer os materiais iônicos de backbone para aplicações de computação neuromórfica.

Conhecido por possuir propriedades extraordinárias, de resistência mecânica a condutividade eletrônica e transparência de umedecimento, o grafeno desempenha um papel importante em muitas aplicações ambientais e de energia, como dessalinização de água, armazenamento de energia eletroquímica, e captação de energia. As interações eletrostáticas mediadas pela água conduzem os processos químicos por trás dessas tecnologias, tornando a capacidade de quantificar as interações entre o grafeno, íons, e moléculas carregadas de vital importância para projetar iterações mais eficientes e eficazes.

"Cada vez que você tem interações com íons na matéria, o meio é muito importante. A água desempenha um papel vital na mediação das interações entre os íons, moléculas, e interfaces, que levam a uma variedade de processos naturais e tecnológicos, "disse Monica Olvera de La Cruz, Advogado Taylor, Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, quem liderou a pesquisa. "Ainda, há muito que não entendemos sobre como as interações mediadas pela água são influenciadas pelo nanoconfinamento em nanoescala. "

Usando simulações de modelos de computador na Northwestern Engineering e experimentos de refletividade de raios-X em Argonne, a equipe de pesquisa investigou a interação entre dois íons com cargas opostas em diferentes posições na água confinada entre duas superfícies de grafeno. Eles descobriram que a força da interação não era equivalente quando as posições dos íons eram trocadas. Essa quebra de simetria, que os pesquisadores apelidaram de interações não recíprocas, é um fenômeno não previsto anteriormente pela teoria eletrostática.

Os pesquisadores também descobriram que a interação entre íons de carga oposta tornou-se repulsiva quando um íon foi inserido nas camadas de grafeno, e o outro foi absorvido pela interface.

"Do nosso trabalho, pode-se concluir que a estrutura da água sozinha perto das interfaces não pode determinar as interações eletrostáticas efetivas entre os íons, "disse Felipe Jimenez-Angeles, Pesquisador associado sênior do Centro de Computação e Teoria de Materiais Soft da Northwestern Engineering e um dos principais autores do estudo. "A não reciprocidade que observamos implica que as interações íon-íon na interface não obedecem às simetrias isotrópicas e translacionais da lei de Coulomb e podem estar presentes em modelos polarizáveis ​​e não polarizáveis. Esta polarização não simétrica da água afeta nossa compreensão de mecanismos de diferenciação de íons, como seletividade e especificidade de íons. "

"Esses resultados revelam outra camada para a complexidade de como os íons interagem com as interfaces, "disse Paul Fenter, um cientista sênior e líder de grupo na Divisão de Ciências Químicas e Engenharia em Argonne, que liderou as medições de raios-X do estudo usando a fonte avançada de fótons de Argonne. "Significativamente, esses insights derivam de simulações que são validadas contra observações experimentais para o mesmo sistema. "

Esses resultados podem influenciar o projeto futuro de membranas para adsorção seletiva de íons usadas em tecnologias ambientais, como processos de purificação de água, baterias e capacitores para armazenamento de energia elétrica, e a caracterização de biomoléculas, como proteínas e DNA.

Compreender a interação iônica também pode impactar os avanços na computação neuromórfica - onde os computadores funcionam como cérebros humanos para realizar tarefas complexas com muito mais eficiência do que os computadores atuais. O íon de lítio pode atingir plasticidade, por exemplo, por ser inserido ou removido de camadas de grafeno em dispositivos neuromórficos.

"O grafeno é um material ideal para dispositivos que transmitem sinais via transporte iônico em eletrólitos para aplicações neuromórficas, "disse Olvera de la Cruz." Nosso estudo demonstrou que as interações entre íons intercalados no grafeno e íons fisicamente adsorvidos no eletrólito são repulsivas, afetando a mecânica de tais dispositivos. "

O estudo fornece aos pesquisadores uma compreensão fundamental das interações eletrostáticas em meios aquosos perto de interfaces que vão além da relação da água com o grafeno, que é crucial para estudar outros processos na física e nas ciências.

"O grafeno é uma superfície regular, mas essas descobertas podem ajudar a explicar as interações eletrostáticas em moléculas mais complexas, como proteínas, "disse Jimenez-Angeles." Nós sabemos que o que está dentro da proteína e as cargas eletrostáticas fora dela são importantes. Este trabalho nos dá uma nova oportunidade de explorar e olhar para essas interações importantes. "

Um artigo que descreve o trabalho, intitulado "Interações não recíprocas induzidas por água no confinamento, "foi publicado em 17 de novembro na revista Pesquisa de revisão física .