TU Wien (Wien), KU Leuven och universitetet i Zürich har upptäckt en robust yta vars vidhäftande och vätande egenskaper kan ändras med hjälp av elektricitet. Detta anmärkningsvärda resultat visas på omslaget till Natur tidskrift.

När regnet faller på ett lotusblad, bladet blir inte blött. Tack vare sin speciella struktur, vattendropparna rullar av utan att blöta ytan. Konstgjorda material kan göras vattenavvisande, för. Det är, dock, extremt utmanande att producera en yta med växlingsbar vätning. Nu, en forskargrupp från TU Wien, KU Leuven och University of Zürich har lyckats manipulera en yta av ett enda lager bornitrid på ett sådant sätt att den kan växlas fram och tillbaka mellan tillstånd med hög och låg vätning och vidhäftning.

Hexagoner gör vågor

"En av de mest intressanta fysikaliska egenskaperna hos en yta är dess stickion eller statiska friktion, säger Stijn Mertens (Institutet för tillämpad fysik vid Wiens tekniska universitet, och associerad med KU Leuven i Belgien). "Denna kraft måste övervinnas för att ett föremål på ytan ska börja glida."

Ytans nanostruktur bestämmer i stor utsträckning dess häftighet:detaljerna i kontakten mellan ytan och ett annat föremål (till exempel, en droppe vätska) beror på dess atomers geometri och andra egenskaper. Detta är i sin tur avgörande för vidhäftningen, stickning och vätning. Förhållandet mellan stickion och vätning, dock, är än så länge bara dåligt förstådd.

"Precis som materialet grafen bara består av ett lager av kolatomer, vår bornitrid – som innehåller lika många bor som kväveatomer – har en tjocklek av endast ett atomlager, " förklarar Thomas Greber från Physics Institute vid universitetet i Zürich. Detta ultratunna lager kan odlas på en rodiumenkristall. Atomerna på rodiumytan och i bornitriden bildar ett hexagonalt mönster, men avstånden mellan atomerna i de två materialen är olika. Tretton atomer i bornitrid tar samma utrymme som tolv rodiumatomer, så att de två kristallerna inte passar ihop perfekt. På grund av denna oöverensstämmelse, bornitrid-hexagonerna måste böjas, de uppträder som en frusen våg med en våglängd på 3,2 nanometer och en höjd på cirka 0,1 nanometer.

"Just denna tvådimensionella nanovåg påverkar vätningen av ytan av vatten, säger Stijn Mertens. I alla fall, bornitridöverbyggnaden kan göras platt med ett enkelt knep:genom att lägga materialet i syra och anbringa en elektrisk spänning, väteatomer kryper under bornitridskiktet och ändrar bindningen mellan kväve och rodium. Detta gör bornitriden platt. Plötsligt förändras vidhäftningen av en vattendroppe på ytan dramatiskt - även om droppen är 100 000 gånger större än de små vågorna i bornitriden. Om spänningen sänks, denna effekt är omvänd:"Vi kan byta ytan om och om igen mellan dessa två tillstånd, " förklarar Stijn Mertens.

Droppmätningsmaskinen

För att undersöka ytans vätning och samtidigt applicera spänningen, ett instrument byggdes speciellt för detta ändamål, där en vätskedroppe förs upp på ytan genom ett mycket tunt glasrör. Droppen görs större och mindre samtidigt som dess form registreras. Om droppformen är platt eller mer rundad beror på ytans egenskaper.

Koncept för att växla vätning av en yta fram och tillbaka har funnits ett tag. Till exempel, organiska molekyler som ändrar form med ljus av en viss färg kan fästas på ytan. Dock, sådana molekyler är mycket mer komplexa och ömtåliga än de material som studeras här. "Vår yta består av bara ett enda lager av atomer, är helt oorganiskt och förändras inte även om vi värmer det i vakuum till 1000 °C, " håller med Stijn Mertens och Thomas Greber. "Detta betyder att detta material också kan användas för applikationer där organiska molekyler länge skulle förstöras, allt från dagligt liv till rymdresor."