Pesquisa demonstra transporte de íons aprimorado por difusão superficial através de canais bidimensionais
Canais nanofluídicos formados por heteroestruturas de grafite e mica. (A) Esquema dos nossos canais G-Mica e configuração de medição. (B) Medições AFM da espessura superior da grafite (Gr) quando colocada no substrato de silício (Si) no ar (antes da montagem) e no substrato de mica em soluções aquosas, respectivamente. A altura média do silício (símbolo aberto azul), mica (símbolo aberto vermelho) e grafite (símbolos preenchidos) é obtida estatisticamente usando todos os pontos de dados nas imagens AFM (inserções esquerda e direita, respectivamente), exceto aqueles no regiões escalonadas indicadas pelas sombras brancas. Para efeito de comparação, a altura da superfície do silício e da mica é deliberadamente definida como zero. O esquema à esquerda mostra grafite pura em silício. O esquema da direita mostra a intercalação de água entre grafite e mica em soluções aquosas, levando a um canal intercamada com altura h. Barra de escala, 0,5 μm. Barras de erro representam SD. (C) Características IV de canais G-Mica com diferentes comprimentos L. Inserção superior:resistência iônica R para diferentes L. Barras de erro representam SD. Inserção inferior:imagem óptica de um dispositivo representativo do canal G-Mica. A área tracejada preta representa a abertura no substrato de silício, que é coberta por grafite superior. A caixa tracejada amarela corresponde à área do canal e a área rosa é a abertura na camada de polímero inerte. w =25 μm é a largura de todos os canais. Barra de escala, 20 μm. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493 Cientistas de materiais estudaram extensivamente a permeação iônica rápida em canais nanofluídicos nas últimas décadas devido ao seu potencial em tecnologias de filtração e coleta de energia osmótica. Embora os mecanismos subjacentes ao transporte de íons ainda não tenham sido compreendidos, o processo pode ser alcançado em nanocanais desenvolvidos de maneira cuidadosamente regulada.
Em um novo relatório agora publicado na Science Advances , Yu Jiang e uma equipe de pesquisa em físico-química de superfícies sólidas na China descreveram o desenvolvimento de nanocanais bidimensionais com suas paredes superior e inferior contendo grafite atomicamente plana e cristais de mica.
As distintas estruturas e propriedades das paredes permitiram a investigação das interações entre íons e superfícies interiores. A equipe observou um transporte aprimorado de íons dentro dos canais que é muito mais rápido do que em soluções a granel, fornecendo insights sobre os efeitos de superfície no transporte de íons em nanoescala.
Transporte de íons em nanoescala
Os mecanismos de transporte de íons em nanoescala podem superar seus equivalentes em macroescala devido às suas taxas de transporte. Os exemplos incluem o fluxo rápido de íons através dos canais de proteínas nas membranas celulares, em um processo que é crítico para o funcionamento essencial da vida. Estes incluem permeação de íons através de membranas nanoporosas para purificação de água, separação de íons e geração de energia osmótica. Para compreender os mecanismos de transporte rápido de íons em nanoescala, os pesquisadores devem criar nanocanais com geometria e estruturas internas bem reguladas.
Yu Jiang e sua equipe investigaram a origem do transporte iônico rápido dentro de nanocanais contendo locais de adsorção de íons no interior. O design simplificado minimizou a chance de contaminação do interior do canal com produtos químicos e polímeros durante a fabricação para estudar os efeitos de adsorção em superfícies imaculadas.
Durante os experimentos, Jiang e colegas montaram cristais de grafite e mica esfoliados mecanicamente e os transferiram para uma abertura em substratos de silício. Eles alinharam as heteroestruturas de grafite/mica com a abertura para a cobertura da camada superior de grafite, enquanto a camada inferior se alinhou com a abertura em suas bordas, conforme determinado pelo método de transferência.
Os cientistas usaram um microscópio de força atômica para medir a espessura da parte superior da grafite na mica em soluções aquosas. Eles então mediram a altura média das superfícies de mica e grafite na região do canal. Como as camadas de grafite e mica podem delaminar em altas concentrações de sal de 2 M com correntes iônicas relativamente grandes através dos canais, eles usaram soluções com concentrações de sal iguais ou menores que 0,1 M para precisão experimental. Fabricação e caracterização de dispositivos. Fluxo de fabricação de canais de grafite-mica. (a) Um floco de grafite é transferido para mica através da técnica de transferência a seco. (b) e (c) A pilha de grafite-mica é transferida para a abertura usando a técnica de transferência úmida. (d) O comprimento do canal é definido por métodos de ataque a seco. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493 Experiências adicionais
Os cientistas estimaram a altura efetiva dos canais vistos pelos íons e confirmaram a altura caracterizada pela microscopia de força atômica. Durante os experimentos, eles encheram os dois reservatórios com várias soluções de cloreto de concentrações de 0,1 M e 0,01 M, respectivamente, para criar um gradiente de concentração.
Jiang e colegas estudaram os efeitos da superfície do interior do canal sobre o transporte de íons e mediram a condutividade iônica do cloreto de potássio em função de sua concentração a granel. A equipe investigou o processo de transporte de íons nos canais G-mica e reduziu o número de mecanismos possíveis realizando medições adicionais.
Perspectiva
A alta condutância e adsorção seletiva de íons nas superfícies de mica indicaram considerável difusão superficial. Os cientistas introduziram uma expressão quantitativa para o transporte de íons nos canais de grafite-mica para fornecer informações sobre os mecanismos relacionados.
Eles descreveram que a condutividade superficial é devida à migração de cátions adsorvidos, considerando a densidade efetiva do número de sal na superfície, a mobilidade superficial dos cátions adsorvidos e focando no transporte de cátions monovalentes. A energia de adsorção relativamente grande dos cátions limitou sua dessorção, antes da migração, para destacar a importância da mica para o transporte de íons.
Desta forma, Yu Jiang e colegas destacaram a difusão superficial como um caminho adicional de transporte de íons em nanofluídica para fornecer condutividade iônica que são ordens de magnitude maiores do que em soluções a granel. O valor está entre os mais altos relatados em nanocanais individuais. A capacidade de criar canais usando cristais do grupo mica que têm preferências de adsorver diversos cátions pode distinguir íons que dependem de suas energias de adsorção para transporte de íons e aplicações de detecção.
Mais informações: Yu Jiang et al, Difusão de superfície melhorou o transporte de íons através de nanocanais bidimensionais, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi8493 Informações do diário: Avanços da ciência
