National Physical Laboratorys (NPL) Quantum Detection Group har just publicerat forskning som undersöker hydrofobiciteten hos epitaxiell grafen, som skulle kunna användas i framtiden för att bättre skräddarsy grafenbeläggningar för tillämpningar inom medicin, elektronik med mera. Tvärtemot vad många tror, fynden indikerar att grafens hydrofobicitet är starkt tjockleksberoende, med enskiktsgrafen som är betydligt mer hydrofilt än dess tjockare motsvarigheter.

Grafen är en tvådimensionell kristall av kol, med många potentiella tillämpningar som flexibel elektronik, effektiva transistorer och nya sensorer. För att uppmuntra upptaget av grafen för elektriska applikationer, utmaningarna med storskalig produktion och kontroll av dess egenskaper under en mängd olika miljöförhållanden måste hanteras.

Många grafenbaserade enheter måste fungera i omgivningsförhållanden där luftfuktigheten inte är noll och inte övervakas. Luftfuktighet kan påverka grafens prestanda genom förändringar i dess mekaniska och elektriska egenskaper - det är därför kritiskt viktigt att få kunskap om grafens vattenaffinitet.

Den nya studien, utförs i samarbete med Naval Research Laboratory, tar upp den mycket omdiskuterade frågan om grafen är hydrofobt eller hydrofilt. Det vanliga antagandet är att grafen, som med många andra kolbaserade material, är hydrofob. Detta jobb, publicerad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano , har visat att frågan är mycket mer komplicerad än man först trodde.

Vidhäftnings- och friktionsegenskaperna hos enkel- och dubbelskiktsgrafen studerades med hjälp av kemisk kraftmikroskopi med en hydrofob sond – en variant av atomkraftsmikroskopi där ett substrat studeras med hjälp av krafterna mellan en sond och en yta. En större vidhäftningskraft uppmättes mellan sonden och dubbel/tre lager grafen jämfört med enkellagers grafen, visar att dubbel/trippelskiktsgrafen är mer hydrofobt. Detta tyder på att hydrofobiciteten beror på tjockleken på grafenskikten.

Dessa resultat bekräftades ytterligare av kartläggningen av friktionskrafter i nanoskala:hydrofoba domäner visade en lägre friktionskraft, ett resultat som överensstämmer med det faktum att de olika nivåerna av hydrofobicitet tenderar att påverka arrangemanget av omgivande vattenmolekyler och, i tur och ordning, sondspetsens glidande rörelse.

Teknikerna som demonstreras av NPL skulle kunna användas i framtiden för att främja vår förståelse av grafens vätningsbeteende, med särskilt fokus på effekterna av olika grafenframställningsmetoder. Särskilt, det banar väg för att differentiera grafenbaserade beläggningar och skräddarsy dem för en specifik applikation.

Till exempel, tjockare beläggningar (dubbelskiktsgrafen eller mer) är idealiska för hydrofoba applikationer, såsom medicinsk utrustning och elektroniska komponenter. Å andra sidan, enskiktsgrafenbeläggningar kan användas där en hydrofil yta krävs, som till exempel i anti-dimglas och beläggningar för byggnader.