(Phys.org) – Ingenjörsforskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en ny drapering gjord av grafen – det tunnaste materialet som vetenskapen känner till – som kan förbättra de vattenbeständiga egenskaperna hos material med grova ytor.
Dessa "nanodraper" är mindre än en nanometer tjocka, kemiskt inert, och ger ett lager av skydd utan att ändra egenskaperna hos det underliggande materialet. Teamet av forskare, ledd av Rensselaer professor Nikhil Koratkar, demonstrerade hur vattendroppar stöter på betydligt mindre friktion när de rör sig över en yta täckt med en nanodrape.
Denna innovation har potential att gynna lab-on-chip-enheter, högkapacitetsanalyser, självrengörande ytor, och många andra tillämpningar som kräver rörelse av vätskedroppar på fasta ytor.
"Graphene nanodrapes är de tunnaste, mest skira draperier vi kan tänka oss. Förutom att ge en barriär mot vatten, dessa draperier är optiskt transparenta och orsakar minimala förändringar av topologin på den underliggande ytan, sa Koratkar, John A. Clark och Edward T. Crossan professor i teknik vid Rensselaer. "Vi fann att detta ultrasheera draperi förhindrar att vatten tränger in i strukturerade ytor, som har intressanta och potentiellt viktiga tekniska implikationer för många applikationer inom mikro- och nanofluidik."
Vattendroppar kan lätt fastna eller "nålas" till ett material med en nanotexturerad grov yta. När droppen faller på materialet, energin från fallet trycker ut eller förskjuter de små mängderna luft som är instängd i den strukturerade ytan. Väl i det här fästa tillståndet, det är svårt att lossa droppen och flytta den runt ytan.
Täcker ytan med en ogenomtränglig grafendraperi, dock, förhindrar att en droppe fastnar på ytan. Nanodrapen skapar en barriär som hindrar vattendroppen från att tränga in i och tränga undan luften från den strukturerade ytan. Istället, droppen sitter ovanpå draperiet, med minskad friktion mellan dem, vilket i sin tur gör det lättare att flytta runt droppen på ytan, Sa Koratkar. Samtidigt som den hjälper till att minimera denna friktion, den ultrasheer nanodrape orsakar minimala störningar på den underliggande ytan.
De fyrkantiga nanodraperierna är flera centimeter långa, och när de väl applicerats på en yta kan de bara detekteras med ett kraftfullt mikroskop. Koratkar och forskargruppen tappade små mängder vatten på en yta av koppar nanorods, och samma yta täckt med en nanodrape. Vatten som tappades på den kala ytan breder ut sig för att bilda stora platta droppar som tyder på en hydrofil yta, medan vatten som tappades på nanodraperade ytor bildade en mycket rundare eller sfärisk droppe som tyder på en vattenavvisande eller hydrofob yta. Forskarna använde också höghastighetskameror för att observera och mäta formen på dropparna när de träffade ytan, Sprid ut, avtalad, och slutligen avgjordes. När väl avgjort, ytans vätbarhet kännetecknades av att mäta vinkeln vid vilken vätskedroppen kom i kontakt med den fasta ytan.
Koratkar sa att de vattentåliga egenskaperna är uppenbara efter appliceringen av en enda nanodrape, men egenskaperna förbättras med tillägg av några ytterligare lager. Sprickor och rynkor i nanometerform bildas sannolikt i det första lagret när det appliceras och sätter sig på ytan. Det andra och efterföljande lagren lider sannolikt av färre defekter, och hjälper till att täcka över defekter på det första lagret.
Koratkar och hans forskargrupp skapar nanodrapes genom att odla grafen - ett enda lager av kolatomer arrangerade som ett nanoskala hönsnätsstängsel - ovanpå ett kopparsubstrat. De belägger sedan grafenet med en polymerfilm, och använd svaga syror för att ta bort eller etsa bort koppar, som lämnar polymerskiktet med grafenfilmen under flytande på toppen av de flytande syrorna. Polymerskiktet med grafenark överförs sedan till en yta, och polymerskiktet tvättas försiktigt bort med aceton. Det som återstår är en enkolatom tjock, ultra ren, ogenomtränglig grafendraperi.
Denna studie är den senaste från Koratkar, vars forskning är placerad i skärningspunkterna mellan nanoteknik, energi, och hållbarhet. Hans arbete har fokuserat på syntesen, karakterisering, och tillämpning av materialsystem i nanoskala, inklusive grafen. Hans forskargrupp använder olika tekniker för att undersöka sätt att införliva dessa material i olika kompositer, beläggningar, och enhetsapplikationer.
Resultaten av studien publicerades tidigare i år av tidskriften ACS Nano i tidningen "Graphene Drape minimerar fastsättningen och hysteresen av vattendroppar på nanotexturerade grova ytor."
