Vattendroppar på en bit kisel och på kisel täckt av ett lager grafen visar en minimal förändring i kontaktvinkeln mellan vattnet och basmaterialet. Forskare vid Rice University och Rensselaer Polytechnic Institute fastställde att när de appliceras på de flesta metaller och kisel, ett enda lager grafen är genomskinligt för vatten. (Kredit:Rahul Rao/Rensselaer Polytechnic Institute)
Grafen är det tunnaste materialet som vetenskapen känner till. Nanomaterialet är så tunt, faktiskt, vatten vet ofta inte ens att det finns där.
Ingenjörsforskare vid Rensselaer Polytechnic Institute och Rice University belade bitar av guld, koppar, och kisel med ett enda lager grafen, och placerade sedan en droppe vatten på de belagda ytorna. Förvånande, lagret av grafen visade sig praktiskt taget inte ha någon inverkan på hur vatten sprids på ytorna.
Resultaten av studien publicerades i söndags i tidskriften Naturmaterial . Fynden kan hjälpa till att informera en ny generation av grafenbaserade flexibla elektroniska enheter. Dessutom, forskningen föreslår en ny typ av värmerör som använder grafenbelagd koppar för att kyla datorchips.
Upptäckten härrörde från ett samarbete över universitet som leddes av Rensselaer-professor Nikhil Koratkar och risprofessor Pulickel Ajayan.
"Vi har belagt flera olika ytor med grafen, och häll sedan en droppe vatten på dem för att se vad som skulle hända. Det vi såg var en stor överraskning – ingenting förändrades. Grafenet var helt genomskinligt för vattnet, sa Koratkar, en fakultetsmedlem vid institutionen för mekaniska, Aerospace, och Kärnteknik och Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer. "Det enda lagret av grafen var så tunt att det inte avsevärt störde de icke-bindande van der Waals-krafterna som kontrollerar växelverkan mellan vatten och den fasta ytan. Det är en spännande upptäckt, och är ytterligare ett exempel på de unika och extraordinära egenskaperna hos grafen."
Resultaten av studien är detaljerade i Naturmaterial papper "Vätningstransparens av grafen." Se tidningen online på:http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3228
I huvudsak ett isolerat lager av grafit som vanligtvis finns i våra pennor eller kolet vi bränner på våra grillar, grafen är ett lager av kolatomer arrangerade som ett nanoskala hönsnätsstängsel. Grafen är känt för att ha utmärkta mekaniska egenskaper. Materialet är starkt och segt och kan på grund av sin flexibilitet jämnt belägga nästan alla ytor. Många forskare och teknikledare ser grafen som ett möjliggörande material som i hög grad skulle kunna främja tillkomsten av flexibla, papperstunna enheter och skärmar. Används som beläggning för sådana enheter, grafenen skulle säkert komma i kontakt med fukt. Att förstå hur grafen interagerar med fukt var drivkraften bakom denna nya studie.
Spridning av vatten på en fast yta kallas vätning. Att beräkna vätbarhet innebär att man placerar en droppe vatten på en yta, och sedan mäta vinkeln med vilken droppen möter ytan. Droppen kommer att kula och ha en hög kontaktvinkel på en hydrofob yta. Omvänt, droppen breder ut sig och har en låg kontaktvinkel på en hydrofil yta.
Kontaktvinkeln för guld är cirka 77 grader. Koratkar och Ajayan fann att efter att ha belagt en guldyta med ett enda lager grafen, kontaktvinkeln blev ca 78 grader. Liknande, kontaktvinkeln för kisel steg från ungefär 32 grader till ungefär 33 grader, och koppar ökade från cirka 85 grader till cirka 86 grader, efter att ha lagt till ett lager grafen.
Grafen är det tunnaste materialet som vetenskapen känner till. Nanomaterialet är så tunt, faktiskt, vatten vet ofta inte ens att det finns där. En ny studie från Rensselaer Polytechnic Institute visar hur den extrema tunnheten av grafen möjliggör nästan perfekt vätningstransparens. Fynden kan hjälpa till att informera en ny generation av grafenbaserade flexibla elektroniska enheter. Dessutom, forskningen föreslår en ny typ av värmerör som använder grafenbelagd koppar för att kyla datorchips. Kredit:Rensselaer/Koratkar
Dessa resultat överraskade forskarna. Grafen är ogenomträngligt, eftersom de små utrymmena mellan dess sammanlänkade kolatomer är för små för vatten, eller en enda proton, eller något annat att passa igenom. På grund av detta, man skulle förvänta sig att vatten inte skulle agera som om det var på guld, kisel, eller koppar, eftersom grafenbeläggningen förhindrar att vattnet kommer i direkt kontakt med dessa ytor. Men forskningsresultaten visar tydligt hur vattnet kan känna av närvaron av den underliggande ytan, och sprider sig på de ytorna som om grafenet inte alls fanns.
När forskarna ökade antalet lager av grafen, dock, det blev mindre genomskinligt för vattnet och kontaktvinklarna hoppade avsevärt. Efter att ha lagt till sex lager grafen, vattnet såg inte längre guldet, koppar, eller kisel och istället betedde sig som om det satt på grafit.
Anledningen till detta förbryllande beteende är subtil. Vatten bildar kemiska eller vätebindningar med vissa ytor, medan attraktionen av vatten till andra ytor dikteras av icke-bindande interaktioner som kallas van der Waals-krafter. Dessa icke-bindande krafter är inte olik en nanoskala version av gravitation, sa Koratkar. I likhet med hur gravitationen dikterar samspelet mellan jorden och solen, van der Waals krafter dikterar interaktionen mellan atomer och molekyler.
När det gäller guld, koppar, kisel, och annat material, van der Waals krafterna mellan ytan och vattendroppen bestämmer attraktionen av vatten till ytan och dikterar hur vatten sprids på den fasta ytan. I allmänhet, dessa krafter har ett intervall på åtminstone flera nanometer. På grund av den långa räckvidden, dessa krafter störs inte av närvaron av ett enatomtjockt lager av grafen mellan ytan och vattnet. Med andra ord, van der Waals-styrkorna kan "se igenom" ultratunna grafenbeläggningar, sa Koratkar.
Om du fortsätter att lägga till ytterligare lager av grafen, dock, van der Waals-krafterna "se" alltmer kolbeläggningen ovanpå materialet istället för det underliggande ytmaterialet. Efter att ha staplat sex lager grafen, separationen mellan grafenen och ytan är tillräckligt stor för att säkerställa att van der Waals-krafterna nu inte längre kan känna av närvaron av den underliggande ytan och istället bara se grafenbeläggningen. På ytor där vatten bildar vätebindningar med ytan, den vätande transparenseffekten som beskrivs ovan håller inte eftersom sådana kemiska bindningar inte kan bildas genom grafenskiktet.
Tillsammans med att utföra fysiska experiment, forskarna verifierade sina resultat med modellering av molekylär dynamik såväl som klassisk teoretisk modellering.
"Vi fann att van der Waals krafter inte störs av grafen. Denna effekt är en artefakt av den extrema tunnheten av grafen - som bara är cirka 0,3 nanometer tjock, ", sa Koratkar. "Ingenting kan konkurrera med grafenens tunnhet. På grund av detta, grafen är det idealiska materialet för att väta vinkeltransparens."
"Dessutom, grafen är stark och flexibel, och det spricker inte lätt eller går sönder, " sade han. "Dessutom, det är lätt att belägga en yta med grafen med kemisk ångavsättning, och det är relativt okomplicerat att avsätta enhetliga och homogena grafenbeläggningar över stora ytor. Till sist, grafen är kemiskt inert, vilket betyder att en grafenbeläggning inte kommer att oxidera bort. Inget enskilt materialsystem kan tillhandahålla alla ovanstående attribut som grafen kan erbjuda."
En praktisk tillämpning av denna nya upptäckt är att belägga kopparytor som används i avfuktare. På grund av dess exponering för vatten, koppar i avfuktarsystem oxiderar, vilket i sin tur minskar dess förmåga att överföra värme och gör hela enheten mindre effektiv. Att belägga kopparn med grafen förhindrar oxidation, forskarna sa, och enhetens funktion påverkas inte eftersom grafen inte förändrar hur vatten interagerar med koppar. Samma koncept kan användas för att förbättra värmerörens förmåga att avleda värme från datorchips, sa Koratkar.
"Det är en intressant idé. Grafenet orsakar ingen betydande förändring av koppars vätbarhet, och samtidigt passiverar den kopparytan och förhindrar den från att oxidera, " han sa.
