Forskere skubber og trækker dråber med grafen

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har flyttet væskedråber ved hjælp af lange kemiske gradienter dannet på grafen. Ændringen i koncentrationen af ​​enten fluor eller ilt, der dannes ved hjælp af en simpel plasmabaseret proces, skubber eller trækker dråber vand eller simulant af nervemedier hen over overfladen. Denne nye præstation tilbyder potentielle applikationer lige fra elektronik til mekaniske resonatorer til bio/kemiske sensorer.

NRL -forskere har vist, at det er muligt at oprette en kemisk gradient på grafen, som skubber eller trækker små dråber væske. Gradienter i et materiales fugtbarhed findes bredt i naturen, såsom den berømte lotusbladeffekt eller i edderkoppespind. Forskere, der studerer disse effekter, har fundet ud af, at det er nyttigt, gradienten skal være særlig glat uden defekter, der kan hænge vanddråben. Virkningen er tidligere opnået med store molekyler eller polymerer, men ikke med grafen - et lag carbon kun et enkelt atom tykt. Den kemiske fleksibilitet af det kulstof gjorde det muligt at skabe både ilt- og fluorgradienter. Den mekaniske styrke af grafen betyder, at disse grafen -støttede kemiske gradienter kunne overføres til mange forskellige overflader. Kombineret, disse fordele giver potentielle gennembrud inden for enhedsdesign til applikationer lige fra mikrofluidik til sensing. Undersøgelsen vises i 25. juni, 2013, nummer af tidsskriftet ACS Nano .

Oprettelse af de kemiske gradienter kræver en delikat berøring. Selvom grafen er et robust materiale, det er stadig kun et atom tykt-en for energisk reaktion kan rive det fra hinanden. Den ideelle løsning var at bruge en NRL-patenteret plasmabehandlingsteknologi, der kan producere de nødvendige kemiske mønstre i skiver i kombination med en fysisk maske. Her, masken var en baldakin, der hang over grafen, men kun delvist beskyttet det mod plasmaet. At flytte baldakinen højere eller gøre den længere skaber forskellige gradienter, som er rene og glatte uden yderligere behandlingstrin.

"Skønheden ved denne tilgang er evnen til hurtigt at producere kemiske gradienter i en ønsket skala eller opbygge arrays med flere gradienter over store overfladearealer. Denne kombination er meget ønskelig, når man overvejer den store fabrikation af enheder, "sagde Scott Walton, chef for Plasma Applications Section på NRL. "En interessant egenskab ved grafen er, at det kan overføres til mange forskellige underlag, "bemærker medforfatter Paul Sheehan, fra NRLs kemidivision. "I princippet, man kunne skabe denne kemiske gradient på mange forskellige underlag, noget, der har været svært at datere. "

Forskergruppen producerede og testede to forskellige kemiske gradienter og testede dem derefter ved hjælp af to væsker, vand og dimethylmethylphosphonat (et nervemiddel simulant). For begge væsker, en gradient af iltfunktionelle grupper trak væskedråberne mod stigende iltkoncentration. En fluorgradient gjorde det modsatte, skubber dråben mod faldende fluor. Bevægelsesretningen tilskrives stort set forskydninger i overfladeenergien på de funktionaliserede overflader.

Ser frem til, gruppen mener, at de kemiske gradienter kan bruges til at drive mindre dråber og måske endda enkelte molekyler. Evnen til at flytte væsker eller adsorbater hen over overfladen giver yderligere funktioner i enhedsdesign til applikationer lige fra mikrofluidik til kemisk registrering. "Godt kontrollerede overflademodifikationer giver mulighed for at manipulere materialeattributterne lokalt, individuelt at adressere sensoriske og transducerende komponenter i et hybridmateriale, som tilbyder en række muligheder i en række forskellige applikationer, "siger Sandra Hernandez, NRC-NRL postdoktoral forskningsassistent, der designede, fremstillet, og karakteriserede gradienterne. "Du kan forestille dig, at disse film hjælper med at dekontaminere en bygning eller tøj ved at trække agenten mod en absorber eller en katalysator, der nedbryder dem, "tilføjer Dr. Sheehan." Alternativt, det kunne fungere som en radarskål for en sensor ved at trække alle agenterne i et stort område mod et lille, sensor til lav effekt. "