Den fantastiska elektriska, optiska egenskaper och styrka hos grafen, ett enatomtjockt lager av kol, har undersökts mycket under det senaste decenniet. Nyligen, materialet har studerats som en beläggning som kan ge elektrisk ledningsförmåga samtidigt som andra egenskaper hos det underliggande materialet bibehålls.

Men "genomskinligheten" hos en sådan grafenbeläggning för vätning - ett mått på i vilken grad vätskor sprids ut eller pärlar sig på en yta - är inte så absolut som vissa forskare hade trott. Ny forskning vid MIT visar att för material med mellanliggande vätbarhet, grafen bevarar egenskaperna hos det underliggande materialet. Men för mer extrema fall - superhydrofoba ytor, som intensivt stöter bort vatten, eller superhydrofila sådana, som får vatten att spridas ut – ett extra lager av grafen förändrar avsevärt hur belagda material beter sig.

Det är viktigt, eftersom dessa extrema fall i allmänhet är av största intresse. Till exempel, beläggning av ett superhydrofobt material med grafen sågs som ett möjligt sätt att göra elektroniska kretsar som skulle skyddas från kortslutning och korrosion i vatten. Men det är inte riktigt så enkelt, visar den nya forskningen.

Resultaten publicerades nyligen i tidskriften Fysiska granskningsbrev av professorerna Daniel Blankschtein och Michael Strano, doktorand Chih-Jeh Shih, och tre andra MIT postdoktorer och studenter.

Blankschtein, Herman P. Meissner '29 professor i kemiteknik, har studerat vätegenskaper under lång tid. Han hade inte tidigare undersökt grafen, men bestämde sig för att utforska dess vätbarhet nu när det är ett material av stort intresse för forskare.

Eftersom grafens transparens för vätbarhet visade sig inte vara perfekt, Blankschtein säger, "det här fyndet kan ses som ett negativt resultat." Men, han lägger till, "Det är ändå extremt viktigt för forskarsamhället, eftersom det [visar] vad som faktiskt kan åstadkommas i praktiken."

De flesta elektriskt ledande material, han påpekar, är hydrofila:vatten sprider sig lätt på dem, väta ytan ordentligt. "Å andra sidan, " han säger, "för många elektroniska och militära tillämpningar, det är viktigt att tillverka hydrofoba, elektriskt ledande ytor." Och även om grafens transparens för vätbarhet inte är perfekt, det kan fortfarande vara tillräckligt bra för sådana applikationer, han säger.

Denna forskning, som inkluderade både teoretisk modellering och experimentell bekräftelse, visar att genom att deponera ett stort grafenark, odlas genom en process som kallas kemisk ångavsättning, på ett annat materials yta, "det skulle vara möjligt att inducera elektrisk ledningsförmåga på ytan, samtidigt som det önskade ytvätningsbeteendet delvis bevaras, " säger Blankschtein. Faktum är att han lägger till, kontaktvinkeln för en sådan yta - måttet på hur väl den förhindrar vätning - "tros vara en av de högsta som kan uppnås på en plan, elektriskt ledande yta hittills."

Shih, tidningens huvudförfattare, säger, "Vi har visat att vätbarheten hos en transparent, grafenbelagd yta kan manipuleras utan att undergräva dess termiska/elektriska ledningsförmåga." Det är användbart eftersom "i allmänhet, ledande ytor har mycket hög vätbarhet på grund av sin höga ytspänning, och det är i allmänhet mycket utmanande att producera en termiskt/elektriskt ledande yta med inställbar vätbarhet"—vätbarhet som kan kontrolleras nästan efter behag.

Teamet beskriver denna partiella överföring av de underliggande egenskaperna som "genomskinlighet, " snarare än transparens, av vätbarhet.

Genom att välja en speciell kombination av ett underliggande material med en grafenbeläggning, olika kombinationer av elektriska, optiska och vätande egenskaper kan uppnås, Shih säger:"Människor kan kontrollera substratets vätningsegenskaper ... detta genombrott frikopplar framgångsrikt ledningsförmågan och vätbarheten hos ett material."

Vad mer, detta öppnar nya möjligheter för praktiska anordningar, eftersom de inblandade materialen redan används i stor utsträckning inom industrin, Shih säger:"På grund av dess kompatibilitet med dagens halvledarprocesser, många spännande möjligheter kan eftersträvas inom områdena mikroelektronik, nanoskala värmeöverföring och mikrofluidiska enheter - för att samtidigt konstruera önskad vätbarhet, värmeöverföring och elektronisk transport."

Blankschtein betonar att utöver de potentiella tillämpningarna, "Jag är exalterad över det här ur en grundläggande synvinkel." Det syns, han säger, att "du kan inte anta att du bara kan ta ett substrat och släppa grafen på det utan att störa vätningsbeteendet." Genom att förstå detta komplexa beteende, "vi kan lära oss att dra nytta av det."