Forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har flyttat vätskedroppar med hjälp av långa kemiska gradienter bildade på grafen. Förändringen i koncentrationen av antingen fluor eller syre som bildas med en enkel plasmabaserad process antingen skjuter eller drar vattendroppar eller nervgiftssimulator över ytan. Denna nya prestation erbjuder potentiella tillämpningar som sträcker sig från elektronik till mekaniska resonatorer till bio/kemiska sensorer.

NRL-forskare har visat att det är möjligt att skapa en kemisk gradient på grafen, som trycker eller drar små droppar vätska. Gradienter i ett materials vätbarhet finns i stor utsträckning i naturen, som den berömda lotusbladseffekten eller i spindelnät. Forskare som studerar dessa effekter har funnit att det är användbart, lutningen måste vara särskilt jämn utan defekter som kan haka fast vattendroppen. Effekten har uppnåtts tidigare med stora molekyler eller polymerer men inte med grafen – ett lager av kol som bara är en atomtjock. Den kemiska flexibiliteten hos det kolet gjorde det möjligt att skapa både syre- och fluorgradienter. Den mekaniska styrkan hos grafen innebär att dessa grafenstödda kemiska gradienter kan överföras till många olika ytor. Kombinerad, dessa fördelar ger potentiella genombrott i enhetsdesign för applikationer som sträcker sig från mikrofluidik till avkänning. Forskningen visas den 25 juni, 2013, nummer av tidskriften ACS Nano .

Att skapa de kemiska gradienterna kräver en delikat touch. Även om grafen är ett robust material, det är fortfarande bara en atom tjock - en alltför energisk reaktion kan slita isär den. Den idealiska lösningen var att använda en NRL-patenterad plasmabehandlingsteknik som kan producera de nödvändiga kemiska mönstren i wafer-skala i kombination med en fysisk mask. Här, masken var en baldakin som hängde över grafenen, men skyddade den bara delvis från plasman. Att flytta kapellet högre eller göra det längre skapar olika gradienter, som är rena och släta utan några ytterligare bearbetningssteg.

"Det fina med detta tillvägagångssätt är förmågan att snabbt producera kemiska gradienter av önskad skala eller bygga uppsättningar av flera gradienter över stora ytareor. Denna kombination är mycket önskvärd när man beaktar den storskaliga tillverkningen av enheter, sa Scott Walton, chef för sektionen för plasmaapplikationer vid NRL. "En intressant egenskap hos grafen är att den kan överföras till många olika substrat, " konstaterar medförfattaren Paul Sheehan, av NRL:s kemiavdelning. "I princip, man skulle kunna skapa denna kemiska gradient på många olika substrat, något som har varit svårt hittills."

Forskargruppen producerade och testade två olika kemiska gradienter och testade dem sedan med två vätskor, vatten och dimetyl-metylfosfonat (en nervgiftssimulator). För båda vätskorna, en gradient av syrefunktionella grupper drog vätskedropparna mot ökande syrekoncentration. En fluorgradient gjorde precis tvärtom, trycker droppen mot minskande fluor. Rörelseriktningen tillskrivs i stort sett förändringar i ytenergin på de funktionaliserade ytorna.

Ser fram emot, gruppen tror att de kemiska gradienterna kan användas för att driva fram mindre droppar och kanske till och med enstaka molekyler. Möjligheten att flytta vätskor eller adsorbater över ytan ger ytterligare möjligheter i enhetsdesign för applikationer som sträcker sig från mikrofluidik till kemisk avkänning. "Välkontrollerade ytmodifieringar ger möjlighet att manipulera materialegenskaperna lokalt, individuellt behandla de sensoriska och transducerande komponenterna i ett hybridmaterial, som erbjuder en rad möjligheter i en mängd olika tillämpningar, säger Sandra Hernandez, NRC-NRL postdoktoral forskningsassistent som designade, tillverkade, och karakteriserade gradienterna. "Du kan föreställa dig att dessa filmer hjälper till att dekontaminera en byggnad eller kläder genom att dra medlet mot en absorbator eller en katalysator som bryter ner dem, " tillägger Dr. Sheehan. "Alternativt, den skulle kunna fungera som en radarskål för en sensor genom att dra alla medel i ett stort område mot en liten, lågeffektsensor."