Hvor gennemsigtigt er grafen?

Den fantastiske elektriske, optiske og styrkeegenskaber af grafen, et enkelt-atom-tykt lag kulstof, er blevet grundigt undersøgt i det sidste årti. For nylig, materialet er blevet undersøgt som en belægning, der kan give elektrisk ledningsevne og samtidig bevare andre egenskaber af det underliggende materiale.

Men "gennemsigtigheden" af en sådan grafenbelægning til befugtning - et mål for i hvilken grad væsker spredes ud eller perler op på en overflade - er ikke så absolut, som nogle forskere havde troet. Ny forskning ved MIT viser, at for materialer med middel befugtning, grafen bevarer egenskaberne af det underliggende materiale. Men i mere ekstreme tilfælde - superhydrofobe overflader, som intenst afviser vand, eller superhydrofile, som får vand til at sprede sig - et tilføjet lag af grafen ændrer markant den måde, coatede materialer opfører sig på.

Det er vigtigt, fordi disse ekstreme tilfælde generelt er af størst interesse. For eksempel, belægning af et superhydrofobt materiale med grafen blev set som en mulig måde at lave elektroniske kredsløb, der ville være beskyttet mod kortslutning og korrosion i vand. Men det er ikke helt så enkelt, viser den nye forskning.

Resultaterne blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve af professorerne Daniel Blankschtein og Michael Strano, kandidatstuderende Chih-Jeh Shih, og tre andre MIT postdocs og studerende.

Blankschtein, Herman P. Meissner '29 professor i kemiteknik, har undersøgt befugtningsegenskaber i lang tid. Han havde ikke tidligere undersøgt grafen, men besluttede at udforske dets befugtningsevne nu, da det er et materiale af stor interesse for forskere.

Fordi grafens gennemsigtighed over for befugtning viste sig ikke at være perfekt, Blankschtein siger, "dette fund kan ses som et negativt resultat." Men, tilføjer han, "det er ikke desto mindre ekstremt vigtigt for det videnskabelige samfund, fordi det [viser] hvad der rent faktisk kan opnås i praksis."

De fleste elektrisk ledende materialer, han påpeger, er hydrofile:Vand spreder sig let på dem, fugter overfladen grundigt. "På den anden side, " han siger, "for mange elektroniske og militære applikationer, det er vigtigt at fremstille hydrofobe, elektrisk ledende overflader." Og selvom grafens gennemsigtighed over for befugtning ikke er perfekt, det kan stadig være godt nok til sådanne applikationer, han siger.

Denne forskning, som omfattede både teoretisk modellering og eksperimentel bekræftelse, viser, at ved at afsætte et stort grafenark, dyrket ved en proces kaldet kemisk dampaflejring, på et andet materiales overflade, "det ville være muligt at inducere elektrisk ledningsevne på overfladen, samtidig med at den ønskede overfladebefugtningsadfærd delvis bevares, " siger Blankschtein. Faktisk, tilføjer han, kontaktvinklen for en sådan overflade - målet for hvor godt den forhindrer befugtning - "menes at være en af ​​de højest opnåelige på en flad, elektrisk ledende overflade til dato."

Shih, avisens hovedforfatter, siger, "Vi har vist, at fugtbarheden af ​​en gennemsigtig, grafenbelagt overflade kan manipuleres uden at underminere dens termiske/elektriske ledningsevne." Det er nyttigt, fordi "i almindelighed, ledende overflader har meget høj befugtningsevne på grund af deres høje overfladespænding, og det er generelt meget udfordrende at producere en termisk/elektrisk ledende overflade med indstillelig befugtningsevne" - befugtningsevne, der kan kontrolleres næsten efter behag.

Holdet beskriver denne delvise overførsel af de underliggende karakteristika som "gennemskinnelighed, " frem for gennemsigtighed, af fugtbarhed.

Ved at vælge en bestemt kombination af et underliggende materiale med en grafenbelægning, forskellige kombinationer af elektriske, optiske og befugtningsegenskaber kan opnås, Shih siger:"Folk kan kontrollere substratets befugtningsegenskaber ... dette gennembrud afkobler med succes et materiales ledningsevne og befugtningsevne."

Hvad mere er, dette åbner op for nye muligheder for praktiske enheder, fordi de involverede materialer allerede er meget udbredt i industrien, Shih siger:"På grund af dets kompatibilitet med nutidens halvlederprocesser, mange spændende muligheder kan forfølges inden for mikroelektronik, nanoskala varmeoverførsel og mikrofluidiske enheder - for samtidig at konstruere ønsket befugtning, varmeoverførsel og elektronisk transport."

Blankschtein understreger, at ud over de potentielle anvendelser, "Jeg er begejstret for dette fra et grundlæggende synspunkt." Det viser, han siger, at "du kan ikke gå ud fra, at du bare kan tage et substrat og droppe grafen på det uden at forstyrre befugtningsadfærden." Ved at forstå denne komplekse adfærd, "Vi kan lære at udnytte det."