Vand glider frit hen over nanodrapes lavet af verdens tyndeste materiale

(Phys.org) – Ingeniørforskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har udviklet en ny afdækning lavet af grafen – det tyndeste materiale kendt af videnskaben – som kan forbedre de vandafvisende egenskaber af materialer med ru overflader.

Disse "nanodraper" er mindre end en nanometer tykke, kemisk inert, og giver et lag af beskyttelse uden at ændre det underliggende materiales egenskaber. Holdet af forskere, ledet af Rensselaer Professor Nikhil Koratkar, demonstreret, hvordan vanddråber støder på væsentligt mindre friktion, når de bevæger sig hen over en overflade dækket med en nanodrape.

Denne innovation rummer potentialet til at gavne lab-on-chip-enheder, high-throughput assays, selvrensende overflader, og mange andre applikationer, der kræver bevægelse af væskedråber på faste overflader.

"Graphene nanodrapes er de tyndeste, mest gennemsigtige gardiner, vi kan forestille os. Bortset fra at give en barriere mod vand, disse gardiner er optisk gennemsigtige og forårsager minimale ændringer i topologien af ​​den underliggende overflade, " sagde Koratkar, John A. Clark og Edward T. Crossan professor i ingeniørvidenskab ved Rensselaer. "Vi fandt ud af, at dette ultragennemsigtige afdækning forhindrer vand i at trænge ind i teksturerede overflader, som har interessante og potentielt vigtige teknologiske implikationer for mange applikationer inden for mikro- og nanofluidik."

Vanddråber kan let sætte sig fast eller "stiftes" til et materiale med en ru overflade med nanotekstur. Når dråben falder ned på materialet, energien fra faldet skubber ud eller fortrænger de små mængder luft, der er fanget i den teksturerede overflade. En gang i denne fastgjorte tilstand, det er svært at løsne dråben og flytte den rundt på overfladen.

Dækker overfladen med et uigennemtrængeligt grafenafdækning, imidlertid, forhindrer en dråbe i at sætte sig fast på overfladen. Nanodrapen skaber en barriere, der forhindrer vanddråben i at trænge ind i og fortrænge luften fra den teksturerede overflade. I stedet, dråben sidder oven på draperingen, med reduceret friktion mellem dem, hvilket igen gør det lettere at flytte dråben rundt på overfladen, sagde Koratkar. Samtidig med at det hjælper med at minimere denne friktion, den ultrasheer nanodrape forårsager minimal forstyrrelse af den underliggende overflade.

De firkantede nanodraper måler flere centimeter i længden, og når de først er påført en overflade, kan de kun spores med et kraftigt mikroskop. Koratkar og forskerholdet tabte små mængder vand på en overflade af kobber nanorods, og den samme overflade dækket med en nanodrape. Vand, der faldt på den nøgne overflade, spredte sig ud for at danne store flade dråber, der indikerer en hydrofil overflade, mens vand, der faldt på nanodrapede overflader, dannede en meget rundere eller sfærisk dråbe, der indikerer en vandafvisende eller hydrofob overflade. Forskerne brugte også højhastighedskameraer til at observere og måle formen på dråberne, når de ramte overfladen, spredt ud, kontrakt, og endelig afgjort. Når først afgjort, overfladens befugtningsevne blev karakteriseret ved at måle den vinkel, ved hvilken væskedråben kom i kontakt med den faste overflade.

Koratkar sagde, at de vandafvisende egenskaber er tydelige efter påføring af en enkelt nanodrape, men egenskaberne forbedres med tilføjelsen af ​​et par ekstra lag. Revner og rynker i nanometerstørrelse dannes sandsynligvis i det første lag, når det påføres og sætter sig på overfladen. Det andet og efterfølgende lag lider sandsynligvis af færre defekter, og hjælpe med at dække over fejl på det første lag.

Koratkar og hans forskerhold skaber nanodrapes ved at dyrke grafen - et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret som et nanoskala kyllingetrådshegn - oven på et kobbersubstrat. De belægger derefter grafenen med en polymerfilm, og brug svage syrer til at fjerne eller ætse kobberet væk, som efterlader polymerlaget med grafenfilmen nedenunder flydende på toppen af ​​de flydende syrer. Polymerlaget med grafenplade overføres derefter til en overflade, og polymerlaget vaskes forsigtigt væk med acetone. Tilbage er et enkelt carbonatom tykt, ultra-ren, uigennemtrængelig grafen afdækning.

Denne undersøgelse er den seneste fra Koratkar, hvis forskning er placeret i skæringspunkterne mellem nanoteknologi, energi, og bæredygtighed. Hans arbejde har fokuseret på syntesen, karakterisering, og anvendelse af nanoskala materialesystemer, inklusive grafen. Hans forskergruppe bruger forskellige teknikker til at undersøge måder at inkorporere disse materialer i forskellige kompositter, belægninger, og enhedsapplikationer.

Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort tidligere på året af tidsskriftet ACS Nano i papiret "Graphene Drape minimerer fastholdelse og hysterese af vanddråber på nanoteksturerede ru overflader."