Bilden till vänster visar den snygga GO-filmen, som sönderfaller i vatten. Den kontaminerade filmen till höger förblir stabil.
Ett team som leds av Northwestern University hittade nyligen svaret på en mystisk fråga som har förbryllat materialvetenskapssamhället i flera år - och det kom i form av en överraskande grundläggande kemi.
Som många forskare, Jiaxing Huang förstod inte varför grafenoxidfilmer (GO) var mycket stabila i vatten. När nedsänkt, de individuella GO-lakanen blir negativt laddade och stöter bort varandra, vilket borde få membranet att sönderfalla. Men tidigare tidningar noterade att istället för att sönderfalla, filmerna stabiliserades.
"Det är ingen mening, sa Huang, docent i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering. "Många forskare har varit mycket förbryllade över detta."
Grafenoxid, en produkt av grafitoxidation, används ofta för att göra grafen, ett enatomlager tjockt ark av kol som är anmärkningsvärt starkt, lättvikt, och har hög potential inom elektronik och energilagring. Under de senaste tre åren, dock, fler forskare har blivit intresserade av GO själv, delvis på grund av dess potential för molekylär separationstillämpningar.
Efter att ha studerat materialet i många år, Huang insåg att hemligheten bakom GO:s mystiska olöslighet var det oavsiktliga införandet av en vanlig förorening. För att göra en GO-film, många forskare passerar den sura spridningen av enskilda ark genom porösa anodiserade aluminiumoxidfilterskivor, som populärt används för att framställa membran av många nanomaterial. Huangs team fann att under filtrering, aluminiumfilterskivorna korroderar i surt vatten för att frigöra ett betydande antal aluminiumjoner, Al 3+ . Den positivt laddade jonen binder till de negativt laddade GO-arken för att stabilisera de resulterande membranen.
"Vi har löst pusslet med i huvudsak oorganisk kemi på förstaårsnivå, Huang sa. "Nu vet vi att grafenoxidfilmer verkligen är lösliga i vatten. Det är bara en fråga om provets renhet."
Andra multivalenta metalljoner, som mangan, som är en biprodukt från syntesen av GO, kan också tvärbinda arken.
Huangs forskning beskrivs i "Om ursprunget till stabiliteten hos grafenoxidmembran i vatten, " publicerad i Naturkemi den 5 januari. Andra författare till uppsatsen inkluderar doktoranden Che-Ning Yeh, postdoc Kalyan Raidongia, tidigare gästande doktorand Jiaojing Shao, och Shaos tidigare rådgivare Quan-Hong Yang från Tianjin University i Kina. National Science Foundation och Office of Naval Research finansierade olika delar som beskrivs i artikeln.
Huangs upptäckt tydde också på att GO-filmer inte är så starka som forskare en gång trodde. Aluminiumjonerna gör filmen mycket styvare. Utan joner, GO är tre till fyra gånger svagare.
"Detta är en väckarklocka för alla som använder filterskivor av aluminiumoxid, ” sade han. ”Folk har använt den för provberedning inom många områden av materialvetenskap och biologi. Nu vet vi att det inte är så rent som vi tror."
