El grafeno muestra su potencial en el tratamiento de agua. Es el resultado del estudio desarrollado por investigadores e ingenieros de Northwestern, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Argonne. En la investigación, se observan nuevas posibilidades al respecto de la interacción iónica entre grafeno y agua.

El agua, mediador en las interacciones entre iones y moléculas

El grafeno, un material con múltiples propiedades. Son múltiples las capacidades detectadas en el grafeno: resistencia mecánica, conductividad electrónica, entre otras. Por ello, el grafeno es ampliamente utilizado en cuestiones tanto ambientales como energéticas. La desalinización de agua, almacenamiento de energía o recolectar energía son actividades en las que se emplea el grafeno.

Iteraciones más eficientes en el grafeno. La interacción electrostática a través del agua, ofrece el respaldo para iniciar los procesos químicos que componen la aplicación tecnológica del grafeno. Por ello, la posibilidad de cuantificar las interacciones producidas entre el grafeno, los iones, interfaces y las moléculas cargadas sea una cuestión clave para obtener unas iteraciones más efectivas.

Cuantificar las interacciones producidas es clave para obtener iteraciones más efectivas

El medio en el que se producen las interacciones entre iones y materia es fundamental. Según explica Mónica Olvera de La Cruz, profesora que ha dirigido la investigación, el agua desarrolla un papel esencial. Esto se debe a que es el agua el mediador de interacciones entre iones y moléculas, facilitando así una amplia diversidad de procesos tanto naturales como tecnológicos.  Aunque, también hay aspectos que de momento no son comprendidos, por ejemplo, la influencia del nanoconfinamiento a nanoescala de las interacciones con agua.

El fenómeno de las “interacciones no recíprocas”

Con el trabajo conjunto en dos centros de investigación. En Northwestern Engineering se realizaron simulación a través de sistemas informáticos, mientras que, en Argonne se experimentó con la reflectividad de rayos X. Esto permitió analizar la interacción existente entre dos iones cargados de forma opuesta en un agua confinada por dos superficies de grafeno.

Se observó un fenómeno no predicho en la teoría electrostática. Durante el experimento, quedó patente identificaron cómo la fuerza de interacción  no era equivalente al realizar un intercambio posicional de iones. El equipo de investigación ha denominado a este fenómeno “interacciones no recíprocas”, algo que destaca por no estar recogido por lo expuesto anteriormente por la teoría electrostática.

La investigación ha revelado un fenómeno no recoge por la teoría electrostática

Repulsión entre iones con carga opuesta. Se observó cómo los iones con carga opuesta se convertían en repelentes cuando un ion se introducía en las capas de grafeno y el otro ion quedaba absorbido en la interfaz.

Imagen 1.  Interacción entre iones en la interfaz grafeno-agua

Una investigación abre una nueva vía a la comprensión de las interacciones iónicas entre grafeno y agua

Fuente: Jiménez-Ángeles, Felipe, et al. “Nonreciprocal interactions induced by water in confinement.” Physical Review Research 2.4 (2020): 043244.

La estructura del agua no determina las interacciones entre iones. En palabras del investigador Felipe Jimenez Ángeles, la reciprocidad de las interacciones ion – ion no obedece simetrías isotrópicas y translacionales de la ley de Coulomb. Puede aplicarse a modelos tanto polarizables como no polarizables. El entendimiento de los sistemas de diferenciación, así como la selectividad y especificidad de iones, se ve afectado por la polarización del agua no simétrica.

Las simulaciones se validan con observaciones experimentales. El estudio ha mostrado un área más profunda de cómo los iones interactúan con las interfaces. Como  refiere Paul Fenter, el conocimiento extraído de la simulación es validado a través de la observación experimental.

La versatilidad del grafeno

Los resultados pueden tener grandes aplicaciones en el futuro. Podrían condicionar el diseño de membranas para adsorción selectiva de iones empleadas con destino al medioambiente, como los tratamientos de agua. Además, puede tener, también, aplicaciones dentro de baterías, condensadores y elementos destinados al almacenamiento de energía eléctrica.

El ión de litio, abre grandes opciones en computación neuromórfica. Otro beneficio extraído de la investigación es cómo la comprensión de la interacción iónica puede, a su vez, incidir en el progreso de la computación neuromórfica. En este tipo de computación, el sistema funciona de tal forma que emula a un cerebro humano para realizar tareas complejas. Esto se debe a que el ión de litio ofrece plasticidad que puede ser aplicada en dispositivos neuromórficos.

La computación neuromórfica emula el cerebro humano para resolver tareas complejas

El grafeno es un material con mucho futuro. Es idóneo para emplear en dispositivos que realizar la transmisión de señales mediante transporte iónico en electrolitos, con fines neuromórficas. Según refiere Olvera de la Cruz, el estudio ha logrado demostrar que las interacciones entre iones intercalados en grafeno e iones adsorbidos en electrolito son repelentes. De esta forma,a causa de esta repulsión, afectan a la mecánica de los dispositivos.

Un estudio que será de utilidad en otras ramas de la ciencia. La investigación ha ofrecido al equipo investigador una perspectiva nueva sobre las interacciones electrostáticas en medios líquidos, cerca de interfaces. De esta forma, se ha alcanzando una comprensión más allá de la simple relación de agua con el grafeno. Esta comprensión permite su aplicación en otros procesos de física e incluso en otras ramas científicas.

Otros procesos físicos pueden verse beneficiados por esta investigación

Conclusión

Unidos por la ciencia. Como hemos podido ver a lo largo del artículo, un efecto positivo que tiene la ciencia es que un avance en una de sus ramas puede tener aplicaciones en el resto. Este beneficio hace que el desarrollo tecnológico pueda verse respaldado por la sinergia resultante de estudios en diferentes campos.

En Blue Gold creemos en la investigación como forma de abrir puertas a la sostenibilidad. Por ello, nos hacemos eco de aquellas investigaciones que, independientemente de su especialidad, supongan una mejora a la ciencia aplicada al tratamiento de aguas. El futuro siempre es mejor si es compartido.

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