Kredit:iStock.com/ThomasVogel
National Physical Laboratory's (NPL) Quantum Detection Group har netop offentliggjort forskning, der undersøger hydrofobiciteten af epitaksial grafen, som kunne bruges i fremtiden til bedre at skræddersy grafenbelægninger til anvendelser inden for medicin, elektronik og meget mere. I modsætning til den almindelige opfattelse, fundene tyder på, at grafens hydrofobicitet er stærkt tykkelsesafhængig, med et enkelt lag grafen, der er betydeligt mere hydrofilt end dets tykkere modstykker.
Graphen er en todimensionel kulstofkrystal, med mange potentielle anvendelser såsom fleksibel elektronik, effektive transistorer og nye sensorer. For at fremme optagelsen af grafen til elektriske applikationer, udfordringerne ved storstilet produktion og kontrol af dens egenskaber under en række forskellige miljøforhold skal løses.
Mange grafen-baserede enheder bliver nødt til at fungere under omgivende forhold, hvor fugtigheden ikke er nul og ikke overvåges. Luftfugtighed kan påvirke grafens ydeevne gennem ændringer i dets mekaniske og elektriske egenskaber - det er derfor kritisk vigtigt at opnå viden om grafens vandaffinitet.
Den nye undersøgelse, udført i samarbejde med Naval Research Laboratory, behandler det meget omdiskuterede spørgsmål om, hvorvidt grafen er hydrofobt eller hydrofilt. Den almindelige antagelse er, at grafen, som med mange andre kulstofbaserede materialer, er hydrofob. Dette arbejde, offentliggjort i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano , har vist, at spørgsmålet er meget mere kompliceret end først antaget.
Adhæsions- og friktionsegenskaberne af enkelt- og dobbeltlagsgrafen blev undersøgt ved hjælp af kemisk kraftmikroskopi med en hydrofob probe - en variant af atomkraftmikroskopi, hvor et substrat studeres ved hjælp af kræfterne mellem en sonde og en overflade. En større adhæsionskraft blev målt mellem sonden og dobbelt/tre-lags grafen sammenlignet med enkeltlags grafen, viser, at dobbelt/tre-lags grafen er mere hydrofob. Dette tyder på, at hydrofobiciteten afhænger af tykkelsen af grafenlagene.
Disse resultater blev yderligere bekræftet af kortlægningen af friktionskræfter i nanoskala:hydrofobe domæner viste en lavere friktionskraft, et resultat i overensstemmelse med det faktum, at de forskellige niveauer af hydrofobicitet har tendens til at påvirke arrangementet af omgivende vandmolekyler og, på tur, sondespidsens glidende bevægelse.
Teknikkerne demonstreret af NPL kan bruges i fremtiden til at fremme vores forståelse af grafens befugtningsadfærd, med særlig fokus på virkningerne af forskellige grafenproduktionsmetoder. I særdeleshed, det baner vej for at differentiere grafenbaserede belægninger og skræddersy dem til en bestemt applikation.
For eksempel, tykkere belægninger (dobbeltlags grafen eller mere) er ideelle til hydrofobe applikationer, såsom medicinsk udstyr og elektroniske komponenter. På den anden side, enkeltlags grafenbelægninger kan bruges, hvor der kræves en hydrofil overflade, som fx i antidugglas og belægninger til bygninger.