En nyligen publicerad studie ledd av Virginia Commonwealth University-forskare kastar nytt ljus över hur vatten interagerar med nanomaterialet grafen, en enda, tunt lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt bikakenät.

Forskarnas resultat kan ha konsekvenser för en mängd olika tillämpningar, inklusive sensorer, bränslecellsmembran, vattenfiltrering, och grafenbaserade elektrodmaterial i högpresterande superkondensatorer.

Studien, "Korrelationer mellan lösningsmedel och lösningsmedel över grafen:effekten av bildladdningar, " publicerades i tidskriften American Chemical Society ACS Nano och leddes av Neda Ojaghlou, Ph.D., som bedrivit forskningen som doktorand vid Institutionen för kemi på Humanistisk-naturvetenskapliga högskolan.

Projektet tog upp ett viktigt studieområde för medicin, industri och vetenskap:Förstå hur vätskor – främst vatten – interagerar med ytor. Dessa interaktioner mäts på flera sätt, men särskilt genom att övervaka "vätning, " härledd från formen av en droppe på en yta. Om en droppe är platt, ytan anses vara "hydrofil, "som ett vått glas. Om droppen liknar en sfär, den är "hydrofob, "som en droppe på en het panna.

"En extremt viktig yta för att studera vätningen är ett grafenark. Grafen är ett av de mest framträdande nanomaterialen, " sade Ojaghlou. "Dess kemikalie, elektriska och mekaniska egenskaper ligger bakom ett brett spektrum av applikationer från mobiltelefoner till tennisracketproduktion, och från elektronisk utrustning till biltillverkning. Grafenvätning är också viktigt i biologiska ytor och vid design av superkondensatorer."

I den här studien, forskarna undersökte den förstärkta grafenens benägenhet att blötas om det finns vatten på andra sidan av arket. De använde avancerade datorsimuleringar för att studera denna effekt på molekylär nivå.

"Genom att förbättra grafenmodellen, vi har för första gången visat hur grafens konduktivitet leder till vätningstransparens. Konduktivitet betyder förskjutning av elektriska laddningar av kolatomer för att svara på närvaron av vattenelektriska dipolmoment. Dessa elektriska fluktuationer på kolatomer, som är extremt svåra att simulera, modulera växelverkan mellan vattenmolekyler på de två sidorna av arket, " sa Ojaghlou. "Kort sagt, vi har tagit hänsyn till grafenens ledningsförmåga, och det ger en mycket bättre förklaring av vätning av grafen när det finns vatten på andra sidan."

Dusan Bratko, Ph.D., professor vid Institutionen för kemi och författare till artikeln, sa att fynden är en viktig upptäckt.

"När de kommer i kontakt med vatten, grafen stör vätebindningar mellan vattenmolekylerna, ersätta dem med svagare dispersionsattraktion till kolatomer. Ändå, ren grafen har visat sig vara svagt hydrofil. Detta förklaras delvis av grafenens ledningsförmåga, som lägger till en intressant attraktiv mekanism mellan vattenhaltiga dipoler och transienta laddningar inducerade på kolatomer, sa Bratko.

"En tidigare okänd funktion som avslöjats av teamets beräkningsmetod är synergin mellan induktionseffekterna när vatten finns på båda sidor av ett grafenark, " sa han. "På den här nya bilden, grafen spelar en aktiv roll i kommunikationen mellan de motstående hydreringsskikten. Som ett resultat, grafen är betydligt lättare att blöta från båda sidor än från ena sidan. Detta är viktigt eftersom det förra scenariot förekommer i många praktiska tillämpningar. De två distinkta beteendena har indikerats i experiment i vatten och kan förväntas med andra dipolära och joniska vätskor eller lösningar."

Mahdi Shafiei, Ph.D., också en tidigare doktorand vid VCU och författare till tidningen, sa att lagets fynd kunde förklaras som att de visar hur ett grafenark "beter sig som en spegel för vattenmolekyler."

"I vårt arbete, vi förklarar bildladdningarna vid att leda grafen för första gången, "Shafiei sa. "Vårt arbete har åtminstone två betydande effekter:Det belyser beteendet hos vattendroppar på grafen som stöds av vatten, och vi utökar den teoretiska kunskapen om att utföra grafen- och bildladdningar på dem."