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Nature Nano: 石墨烯超級電容器電控離子納米限域傳輸

2018-07-09 11:42:16 作者：Benze 來源：材料人分享至：

【引言】

開發(fā)新型調(diào)控材料中粒子（包括電子，光子，離子等）傳輸現(xiàn)象的技術(shù)是現(xiàn)代電子學(xué)，信息，能源，化工和生物科學(xué)的基礎(chǔ)。當(dāng)今，人們生活早已離不開的手機(jī)，電腦等設(shè)備的強(qiáng)大計算能力究其根本是可以在納米尺度下用靜電場精準(zhǔn)控制電子傳輸?shù)哪芰Α?/span>

與計算機(jī)芯片相似但又非常不同的是，在諸多生物過程，比如神經(jīng)信號的傳導(dǎo)，雖然也是一種電信號傳導(dǎo)，其依賴的不是電子，而是離子。在人腦龐大復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元之間的信號傳導(dǎo)一個重要基礎(chǔ)是高度程式化和刺激響應(yīng)控制的離子傳輸。類似電子學(xué)，研究人員也長期致力于利用外加電場對離子傳輸進(jìn)行調(diào)控。然而現(xiàn)有技術(shù)所加工的器件對離子傳輸性質(zhì)的控制幅度非常有限，而且通常需要輸入的控制電壓遠(yuǎn)高于生物神經(jīng)元正常工作的跨膜電勢。

【核心發(fā)現(xiàn)】

墨爾本大學(xué)化工系李丹教授多年來致力于石墨烯材料的制備及應(yīng)用開發(fā)。該團(tuán)隊前期發(fā)展了一種由多層堆疊石墨烯組裝而成的層間距連續(xù)可調(diào)的薄膜材料，實(shí)現(xiàn)了高能量密度的超級電容器（Science, 341, 534 （2013））。在本研究中，該團(tuán)隊巧妙地將超級電容器與傳統(tǒng)的膜傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)在石墨烯膜上施加一個很小的電壓（< 1 伏）就可以顯著地改變石墨烯層間的雙電層結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對層間離子擴(kuò)散的調(diào)控。特別有意思的是，傳統(tǒng)理論認(rèn)為在施加外加電壓，極化程度變高的情況下離子擴(kuò)散會變小。然而，研究人員卻發(fā)現(xiàn)在層間距小于2 納米的石墨烯膜內(nèi)的離子擴(kuò)散速率即使在較低的外加電場的極化下被顯著加強(qiáng)，且控制幅度突破傳統(tǒng)材料。

與墨爾本大學(xué)機(jī)械工程系劉哲教授帶領(lǐng)的模擬課題組的合作發(fā)現(xiàn)，這種反常的電控離子傳輸行為和一種離子-離子關(guān)聯(lián)作用（ion-ion correlation）密切相關(guān)。并且，這種離子關(guān)聯(lián)作用在限域（也就是石墨烯片層結(jié)構(gòu)中）尤為顯著。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一石墨烯超級電容器實(shí)現(xiàn)離子擴(kuò)散性質(zhì)的調(diào)控

a）裝置圖；

b）石墨烯電容器控制層離子傳輸?shù)臄U(kuò)散曲線；

c）不同電壓下離子擴(kuò)散控制的響應(yīng)曲線；

d）電容控制離子傳輸?shù)捻憫?yīng)時間和循環(huán)穩(wěn)定特征；

二石墨烯超級電容器控制離子擴(kuò)散性質(zhì)隨限域尺度和擴(kuò)散濃度的標(biāo)準(zhǔn)化控制曲線。

【潛在影響】

這項工作揭示的電控離子傳輸性質(zhì)的機(jī)制以及機(jī)制的離子特異性為將來開展研究離子在材料限域中的場效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)，提供了新的實(shí)驗(yàn)手段去實(shí)現(xiàn)生理兼容的納米離子器件。該工作也可能為石墨烯基超級電容器打開全新的應(yīng)用領(lǐng)域。

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責(zé)任編輯：韓鑫