Tuning af grafenfilm, så den kaster vand

Forruder, der udskiller vand så effektivt, at de ikke behøver vinduesviskere. Skibsskrog så glatte, at de glider mere effektivt gennem vandet end almindelige skrog.

Dette er nogle af de potentielle anvendelser for grafen, et af de hotteste nye materialer inden for nanoteknologi, rejst af James Dickersons forskning, assisterende professor i fysik ved Vanderbilt.

Dickerson og hans kolleger har fundet ud af, hvordan man laver en fritstående film af grafenoxid og ændrer dens overfladeruhed, så den enten får vand til at perle op og løbe af eller få det til at brede sig ud i et tyndt lag.

"Grafenfilm er gennemsigtige og fordi de er lavet af kulstof, de er meget billige at lave, " sagde Dickerson. "Den teknik, vi bruger, kan hurtigt skaleres op til at producere den i kommercielle mængder."

Hans tilgang er dokumenteret i en artikel offentliggjort online af tidsskriftet ACS Nano den 26. nov.

Grafen består af plader af kulstofatomer arrangeret i ringe - noget som molekylært kyllingetråd. Ikke alene er dette et af de tyndeste materialer muligt, men det er 10 gange stærkere end stål og leder elektricitet bedre ved stuetemperatur end noget andet kendt materiale. Grafens eksotiske egenskaber har tiltrukket stor videnskabelig interesse, men Dickerson er en af ​​de første til at undersøge, hvordan det interagerer med vand.

Mange forskere, der studerer grafen, gør det ved hjælp af en tør metode, kaldet "mekanisk spaltning, ", der involverer at gnide eller skrabe grafit mod en hård overflade. Teknikken producerer plader, der er både ekstremt tynde og ekstremt skrøbelige. Dickersons metode kan producere plader lige så tynde, men betydeligt stærkere end dem, der er fremstillet ved andre teknikker. Den bruges allerede kommercielt til at producere en række forskellige belægninger og keramik. Kendt som elektroforetisk aflejring, denne "våde" teknik kombinerer et elektrisk felt i et flydende medium til at skabe nanopartikelfilm, der kan overføres til en anden overflade.

Dickerson og hans kolleger fandt ud af, at de kunne ændre den måde, hvorpå grafenoxidpartiklerne samles til en film ved at variere pH-værdien af ​​det flydende medium og den elektriske spænding, der bruges i processen. Et par indstillinger lægger partiklerne ned i et "tæppe", der skaber en næsten atomisk glat overflade. Et andet par indstillinger får partiklerne til at klumpe sig til små "klodser", der danner en ujævn og ujævn overflade. Forskerne fandt ud af, at tæppets overflade får vand til at sprede sig i et tyndt lag, mens murstensoverfladen får vand til at perle op og løbe af.

Dickerson forfølger en tilgang, der kunne skabe film, der forbedrer disse vand-associerede egenskaber, gør dem endnu mere effektive til enten at sprede vand ud eller få det til at perle op og løbe væk. Der er stor akademisk og kommerciel interesse i udviklingen af ​​belægninger med disse forbedrede egenskaber, kaldet superhydrofob og superhydrofil. Potentielle anvendelser spænder fra selvrensende briller og tøj til antidugoverflader til korrosionsbeskyttelse og snebelastningsbeskyttelse på bygninger. Imidlertid, effektiv, billige og holdbare belægninger mangler endnu at komme ud af laboratoriet.

Dickersons idé er at anvende sin grundlæggende procedure på "fluorographene" – en fluoreret version af grafen, der er en todimensionel version af Teflon – for nylig produceret af Kostya S. Novoselov og Andre K. Geim ved University of Manchester, som modtog Nobelprisen i 2010 for opdagelsen af ​​grafen. Normal fluorografen under spænding burde være betydeligt mere effektiv til at afvise vand end grafenoxid. Så der er en god chance for, at en "mursten" -version og en "tæppe" -version vil have ekstreme vandrelaterede effekter, Dickerson figurer.