Grafen forbedrer mange materialer, men efterlader dem fugtbare

Grafen er det tyndeste materiale, videnskaben kender. Nanomaterialet er så tyndt, faktisk, Vand ved ofte ikke engang, at det er der.

Ingeniørforskere ved Rensselaer Polytechnic Institute og Rice University coatede stykker af guld, kobber, og silicium med et enkelt lag grafen, og placerede derefter en dråbe vand på de coatede overflader. Overraskende nok, laget af grafen viste sig stort set ikke at have nogen indflydelse på den måde, hvorpå vand spredes på overfladerne.

Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort søndag i tidsskriftet Naturmaterialer . Resultaterne kan hjælpe med at informere en ny generation af grafen-baserede fleksible elektroniske enheder. Derudover forskningen tyder på en ny type varmerør, der bruger grafenbelagt kobber til at afkøle computerchips.

Opdagelsen stammede fra et samarbejde på tværs af universiteter ledet af Rensselaer-professor Nikhil Koratkar og risprofessor Pulickel Ajayan.

"Vi har belagt flere forskellige overflader med grafen, og kom så en dråbe vand på dem for at se, hvad der ville ske. Det, vi så, var en stor overraskelse - intet ændrede sig. Grafenen var fuldstændig gennemsigtig for vandet, " sagde Koratkar, et fakultetsmedlem i Institut for Mekanik, Luftfart, og Nuklear Engineering og Institut for Materialevidenskab og Teknik ved Rensselaer. "Det enkelte lag af grafen var så tyndt, at det ikke væsentligt forstyrrede de ikke-bindende van der Waals-kræfter, der kontrollerer samspillet mellem vand og den faste overflade. Det er en spændende opdagelse, og er endnu et eksempel på de unikke og ekstraordinære egenskaber ved grafen."

Resultaterne af undersøgelsen er detaljeret beskrevet i Naturmaterialer papir "Befugtningsgennemsigtighed af grafen." Se papiret online på:http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3228

I bund og grund et isoleret lag af den grafit, der almindeligvis findes i vores blyanter eller det trækul, vi brænder på vores grill, grafen er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret som et hønsetrådshegn i nanoskala. Grafen er kendt for at have fremragende mekaniske egenskaber. Materialet er stærkt og sejt og kan på grund af dets fleksibilitet jævnt dække næsten enhver overflade. Mange forskere og teknologiledere ser grafen som et muliggørelsesmateriale, der i høj grad kan fremme fremkomsten af ​​fleksible, papirtynde enheder og skærme. Anvendes som belægning til sådanne enheder, grafenen ville helt sikkert komme i kontakt med fugt. At forstå, hvordan grafen interagerer med fugt, var drivkraften bag denne nye undersøgelse.

Spredning af vand på en fast overflade kaldes befugtning. Beregning af fugtbarhed involverer at placere en dråbe vand på en overflade, og derefter måle den vinkel, hvor dråben møder overfladen. Dråben vil kugle op og have en høj kontaktvinkel på en hydrofob overflade. Omvendt, dråben vil brede sig ud og have en lav kontaktvinkel på en hydrofil overflade.

Kontaktvinklen for guld er omkring 77 grader. Koratkar og Ajayan fandt ud af, at efter belægning af en guldoverflade med et enkelt lag grafen, kontaktvinklen blev omkring 78 grader. Tilsvarende kontaktvinklen for silicium steg fra ca. 32 grader til ca. 33 grader, og kobber steg fra omkring 85 grader til omkring 86 grader, efter at have tilføjet et lag grafen.

Disse resultater overraskede forskerne. Grafen er uigennemtrængeligt, da de små mellemrum mellem dets forbundne kulstofatomer er for små til vand, eller en enkelt proton, eller andet at passe igennem. På grund af dette, man kunne forvente, at vand ikke ville virke, som om det var på guld, silicium, eller kobber, da grafenbelægningen forhindrer vandet i at komme i direkte kontakt med disse overflader. Men forskningsresultaterne viser tydeligt, hvordan vandet er i stand til at fornemme tilstedeværelsen af ​​den underliggende overflade, og spreder sig på disse overflader, som om grafen slet ikke var til stede.

Da forskerne øgede antallet af lag af grafen, imidlertid, det blev mindre gennemsigtigt for vandet, og kontaktvinklerne sprang betydeligt. Efter at have tilføjet seks lag grafen, vandet så ikke længere guldet, kobber, eller silicium og i stedet opførte sig, som om det sad på grafit.

Årsagen til denne forvirrende adfærd er subtil. Vand danner kemiske eller hydrogenbindinger med visse overflader, mens tiltrækningen af ​​vand til andre overflader er dikteret af ikke-bindende interaktioner kaldet van der Waals-kræfter. Disse ikke-bindende kræfter er ikke ulig en nanoskala version af tyngdekraften, sagde Koratkar. På samme måde som tyngdekraften dikterer samspillet mellem Jorden og solen, van der Waals kræfter dikterer samspillet mellem atomer og molekyler.

I tilfælde af guld, kobber, silicium, og andre materialer, van der Waals-kræfterne mellem overfladen og vanddråben bestemmer vandets tiltrækning til overfladen og dikterer, hvordan vand spredes på den faste overflade. Generelt, disse kræfter har en rækkevidde på mindst flere nanometer. På grund af den lange rækkevidde, disse kræfter forstyrres ikke af tilstedeværelsen af ​​et enkelt-atom-tykt lag af grafen mellem overfladen og vandet. Med andre ord, van der Waals-styrkerne er i stand til at "se gennem" ultratynde grafenbelægninger, sagde Koratkar.

Hvis du fortsætter med at tilføje yderligere lag af grafen, imidlertid, van der Waals kræfter "ser" i stigende grad carbonbelægningen oven på materialet i stedet for det underliggende overflademateriale. Efter at have stablet seks lag grafen, adskillelsen mellem grafenen og overfladen er tilstrækkelig stor til at sikre, at van der Waals-kræfterne nu ikke længere kan mærke tilstedeværelsen af ​​den underliggende overflade og i stedet kun se grafenbelægningen. På overflader, hvor vand danner hydrogenbindinger med overfladen, befugtningsgennemsigtighedseffekten beskrevet ovenfor holder ikke, fordi sådanne kemiske bindinger ikke kan dannes gennem grafenlaget.

Sammen med at udføre fysiske eksperimenter, forskerne verificerede deres resultater med modellering af molekylær dynamik såvel som klassisk teoretisk modellering.

"Vi fandt ud af, at van der Waals kræfter ikke forstyrres af grafen. Denne effekt er en artefakt af den ekstreme tyndhed af grafen - som kun er omkring 0,3 nanometer tyk, " sagde Koratkar. "Intet kan konkurrere med grafenens tynde. På grund af dette, grafen er det ideelle materiale til befugtning af vinkelgennemsigtighed."

"I øvrigt, grafen er stærk og fleksibel, og det knækker ikke let eller går i stykker, sagde han. Derudover, det er nemt at belægge en overflade med grafen ved hjælp af kemisk dampaflejring, og det er relativt ukompliceret at deponere ensartede og homogene grafenbelægninger over store områder. Endelig, grafen er kemisk inert, hvilket betyder, at en grafenbelægning ikke vil oxidere væk. Intet enkelt materialesystem kan give alle de ovennævnte egenskaber, som grafen er i stand til at tilbyde."

En praktisk anvendelse af denne nye opdagelse er at belægge kobberoverflader, der bruges i affugtere. På grund af dens eksponering for vand, kobber i affugtersystemer oxiderer, hvilket igen mindsker dens evne til at overføre varme og gør hele enheden mindre effektiv. Belægning af kobber med grafen forhindrer oxidation, sagde forskerne, og enhedens drift er upåvirket, fordi grafen ikke ændrer måden, hvorpå vand interagerer med kobber. Det samme koncept kan anvendes til at forbedre varmerørs evne til at aflede varme fra computerchips, sagde Koratkar.

"Det er en interessant idé. Grafen forårsager ikke nogen væsentlig ændring af kobbers befugtningsevne, og samtidig passiverer den kobberoverfladen og forhindrer den i at oxidere, " han sagde.