Fysiker från Umeå universitet och Humboldt University i Berlin har löst ett mysterium som har förbryllat forskare i ett halvt sekel. De visar med hjälp av kraftfulla mikroskop att avståndet mellan grafitoxidskikten gradvis ökar när vattenmolekyler tillsätts. Det beror på att ytan av grafitoxid inte är platt, men varierar i tjocklek med "kullar" och "dalar" av nanostorlek. De nya rönen publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nanobokstäver .

"Nu kan vi bättre förstå mekanismerna för lösningsmedelsinsättning mellan lager av grafenoxid. Det ökar vår kunskap om de ultratunna membranen och hjälper till att designa nya typer av membran med genomträngningsegenskaper som kan finjusteras genom att tillsätta vatten och olika andra lösningsmedel, "säger Alexandr Talyzin, forskare vid institutionen för fysik vid Umeå universitet.

Grafitoxid är ett unikt och användbart material, med många ovanliga egenskaper. Det kan lätt lösas upp i vatten och bilda enkla atomlager av grafenoxidark. De supertunna flingorna kan sedan arrangeras i ett flerskiktsmembran med den unika förmågan att inkorporera olika lösningsmedel mellan lagren.

Redan på 60-talet testades sådana membran för avsaltning och filtrering av havsvatten. Nyligen genomförda studier visar att grafenoxidmembranen också kan användas för att separera vätskor och gaser. Tunna grafenoxidfilmer kan separera binära gasblandningar med ganska hög effektivitet. Ännu mer intressant, separationsegenskaperna kan finjusteras med vattenångor.

Vattenmolekyler tränger lätt in mellan grafenoxidlagren och det har länge varit känt att avståndet mellan grafenoxidlagren beror på luftfuktigheten. Med enkel logik, det betyder att avståndet mellan skikten ska ändras i steg som motsvarar storleken på vattenmolekylerna. Det som har förbryllat forskare i ett halvt sekel är att avståndet mellan lagren, mätt med diffraktionsmetoder, ändras gradvis proportionellt mot fuktighetsförändringen.

"Självklart, vi kan inte lägga in kvartsmolekyler eller halva molekyler. Så varför ser vi kontinuerliga förändringar i avståndet mellan grafenoxidlagren? Vi bestämde oss för att studera lagren av grafenoxid med moderna mikroskopiska metoder, vilket konstigt nog inte hade gjorts tidigare", säger Alexandr Talyzin.

Hittills har pusslet förklarats med ett fenomen som kallas interstratifiering - en slumpmässig stapling av lager med olika antal vattenlager - och det som mäts med diffraktionsdata har varit ett medelvärde relaterat till de olika proportionerna mellan antalet lager med olika grader av hydrering.

Den nya studien gjord av fysiker från Humboldt University i Berlin tillsammans med Alexandr Talyzins forskargrupp vid Umeå universitet ger en annan förklaring. Med mikroskopi med mycket hög upplösning, Skanna kraftmikroskopi, forskarna kunde mäta det absoluta avståndet mellan två grafenoxidskikt och registrera förändringar som en funktion av luftfuktigheten.

"Avståndet mellan två enkla grafenoxidlager förändrades uppenbarligen gradvis igen, men förklaringen till denna effekt avslöjades som nanometerstora områden som inte var lika fyllda med vatten. Självklart, effekten av interstratifiering uteslöts i våra experiment eftersom vi bara studerade två lager och ett enda avstånd", säger Alexandr Talyzin.

Resultaten indikerar att det inte är korrekt att föreställa grafenoxid som ett platt plan. Det är, snarare, ett relativt tjockt lager (ungefär två gånger tjockt som grafen) med en variation av tjocklek, inklusive "kullar" och "dalar" av olika storlek. Att lägga till vattenmolekyler ökar tjockleken på detta lager lokalt, men inte nödvändigt av den exakta storleken på vattenmolekylen om några "dalar" fylls först. När alla tillgängliga vattenadsorptionsplatser ("dalar") är fyllda, ett ytterligare vattenskikt tillsätts på en gång. Detta sker vid mycket hög luftfuktighet eller i flytande vatten.

Om grafitoxid:

Grafen är en tunn film av kol, bara en atom tjock. Det är ett unikt adsorberande material på grund av sin extremt stora yta. Ett gram grafen har en yta som är jämförbar med en fotbollsplan. Detta utrymme skulle vara idealiskt för adsorption av gaser och vätskor i applikationer för gaslagring, utvinning av föroreningar från vatten, och så vidare, om inte grafenen skulle vara hydrofob, vilket betyder att dess yta stöter bort vatten. Oxidation av grafen resulterar i anmärkningsvärda förändringar av dess egenskaper. Grafenoxid är hydrofil och attraheras av vatten, och är till och med mycket löslig i vatten. Ett material som består av många grafenoxidlager kallas grafitoxid. En möjlig tillämpning inom miljöområdet är rening av förorenad mark och havsvatten. Grafenoxid fungerar som ett filter som separerar alla andra komponenter i vatten, förutom vattenmolekylerna.