Mellemlagsafstanden i grafitoxid ændres gradvist, når der tilsættes vand

Fysikere fra Umeå Universitet og Humboldt Universitet i Berlin har løst et mysterium, der har undret videnskabsmænd i et halvt århundrede. De viser ved hjælp af kraftige mikroskoper, at afstanden mellem grafitoxidlagene gradvist øges, når vandmolekyler tilsættes. Det er fordi overfladen af ​​grafitoxid ikke er flad, men varierer i tykkelse med "bakker" og "dale" af nanostørrelse. De nye resultater er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nano bogstaver .

"Nu kan vi bedre forstå mekanismerne for opløsningsmiddelindsættelse mellem lag af grafenoxid. Det øger vores viden om de ultratynde membraner og er med til at designe nye typer af membraner med permeationsegenskaber, som kan finjusteres ved at tilsætte vand og forskellige andre opløsningsmidler, og det er med til at få en bedre forståelse af mekanismerne for opløsningsmiddelindsættelse mellem lag af grafenoxid. " siger Alexandr Talyzin, forsker ved Institut for Fysik ved Umeå Universitet.

Grafitoxid er et unikt og nyttigt materiale, med mange usædvanlige egenskaber. Det kan let opløses i vand og danne enkelte atomlag af grafenoxidplader. De supertynde flager kan derefter arrangeres i en flerlagsmembran med den unikke evne til at inkorporere forskellige opløsningsmidler mellem lagene.

Allerede i 60'erne blev sådanne membraner testet til afsaltning og filtrering af havvand. Nylige undersøgelser viser, at grafenoxidmembranerne også kan bruges til at adskille væsker og gasser. Tynde grafenoxidfilm kan adskille binære gasblandinger med ret høj effektivitet. Endnu mere interessant, separationsegenskaberne kan finjusteres med vanddampe.

Vandmolekyler trænger let ind mellem grafenoxidlagene og det har længe været kendt, at afstanden mellem grafenoxidlagene afhænger af fugtigheden. Ved simpel logik, det betyder, at afstanden mellem lagene skal ændres i trin svarende til størrelsen af ​​vandmolekylerne. Det, der har undret videnskabsmænd i et halvt århundrede, er, at afstanden mellem lagene, målt ved diffraktionsmetoder, ændrer sig gradvist proportionalt med luftfugtighedsændringen.

"Naturligvis, vi kan ikke indsætte kvarte molekyler eller halve molekyler. Så hvorfor ser vi kontinuerlige ændringer i afstanden mellem grafenoxidlagene? Vi besluttede at studere lagene af grafenoxid med moderne mikroskopiske metoder, hvilket mærkeligt nok ikke var blevet gjort før", siger Alexandr Talyzin.

Hidtil var puslespillet blevet forklaret med et fænomen kaldet interstratificering - en tilfældig stabling af lag med forskelligt antal vandlag - og hvad der måles ved diffraktionsdata har været en gennemsnitsværdi relateret til de forskellige proportioner mellem antallet af lag med forskellige grader af hydrering.

Den nye undersøgelse udført af fysikere fra Humboldt Universitet i Berlin sammen med Alexandr Talyzins forskerhold ved Umeå Universitet giver en anden forklaring. Med mikroskopi af meget høj opløsning, Scanningskraftmikroskopi, forskerne kunne måle den absolutte afstand mellem to grafenoxidlag og registrere ændringer som funktion af luftfugtighed.

"Afstanden mellem to enkelt grafenoxidlag ændrede sig åbenbart gradvist igen, men forklaringen på denne effekt blev afsløret som nanometerstore områder, der ikke var lige fyldt med vand. Selvfølgelig, effekten af ​​interstratificering blev udelukket i vores eksperimenter, fordi vi kun studerede to lag og en enkelt afstand", siger Alexandr Talyzin.

Resultaterne indikerer, at det ikke er korrekt at forestille sig grafenoxid som et fladt plan. Det er, hellere, et relativt tykt lag (ca. to gange tykkelsen af ​​grafen) med en variation i tykkelsen, herunder "bakker" og "dale" af forskellig størrelse. Tilføjelse af vandmolekyler øger tykkelsen af ​​dette lag lokalt, men ikke nødvendigt af vandmolekylets nøjagtige størrelse, hvis nogle "dale" fyldes først. Når alle tilgængelige vandadsorptionssteder ("dale") er fyldt, et ekstra vandlag tilføjes på én gang. Dette sker ved meget høj luftfugtighed eller i flydende vand.

Om grafitoxid:

Grafen er en tynd film af kulstof, kun et atom tykt. Det er et unikt adsorberende materiale på grund af dets ekstremt store overflade. Et gram grafen har en overflade, der kan sammenlignes med en fodboldbane. Denne plads ville være ideel til adsorption af gasser og væsker i applikationer til gaslagring, udvinding af urenheder fra vand, og så videre, medmindre grafenen ville være hydrofob, hvilket betyder, at dens overflade afviser vand. Oxidation af grafen resulterer i bemærkelsesværdige ændringer af dets egenskaber. Grafenoxid er hydrofilt og tiltrækkes af vand, og er endda meget opløseligt i vand. Et materiale bestående af mange grafenoxidlag kaldes grafitoxid. En mulig anvendelse på miljøområdet er rensning af forurenet jord og havvand. Grafenoxid fungerer som et filter, der adskiller alle andre komponenter i vand, undtagen vandmolekylerne.