Ny indsigt i grafen

Graphen, der flyder på vand, afviser ikke vand, som mange forskere tror, men snarere tiltrækker det. Dette er blevet demonstreret af kemikerne Liubov Belyaeva og Pauline van Deursen og deres vejleder Grégory F. Schneider. Undersøgelsen er publiceret i Avancerede materialer .

Grafen består af det samme materiale som grafit – som f.eks. findes i blyanter – hvorfor man længe har antaget, at som grafit, grafen er vandafvisende. En vigtig forskel fra grafit er, at grafen ikke er mere end et enkelt atom tykt.

Undersøgelserne af grafen gav anledning til forskellige ideer om dets befugtningsegenskaber. Leiden-forskerne har nu opdaget, at overfladen af ​​grafen på vand, forudsat at det er rent og glat, er hydrofil. Med andre ord, grafen i vand tiltrækker vand.

Denne indsigt er meget vigtig for de fremtidige anvendelser af grafen. Dens tynde atomlag af carbonatomer, arrangeret i en honeycomb struktur, gøre materialet egnet til brug i biosensorer til at afkode DNA. Dette ultratynde materiale kan også bruges i sensorer, vandfiltrering og membraner af brændselsceller. I alle disse tilfælde, et grafenlag er udsat for vand på begge sider.

I lang tid, grafen blev antaget at være hydrofob, eller vandafvisende. Forskerne antager, at det skyldes, at grafen generelt produceres på en metaloverflade og senere overføres til en solid understøtning såsom en siliciumwafer. Under denne overførselsproces, imidlertid, grafen kan blive beskadiget eller forurenet, som kan påvirke befugtningsadfærden.

For at bestemme, om overfladen af ​​et intakt lag af grafen er hydrofil eller ej, en dråbe vand skal indføres på laget. Det er så muligt ud fra dråbens krumning at bestemme, om overfladen er vandafvisende, ligesom en regnfrakke, eller om det tiltrækker vand. Så meget for teorien, For i praksis vil en sådan dråbe øjeblikkeligt rive det tynde grafenlag i stykker, resulterer i revner, hvorefter der ikke er meget tilbage at måle.

Forskerne løste dette problem ved at bruge is eller hydrogel i stedet for vand som støttelag. Is og hydrogel er meget stærkere og er gode imitatorer af vand. Forskerne var derefter i stand til at indføre små dråber af vand på grafenen og måle kontaktvinklen mellem grafenoverfladen og ydersiden af ​​dråben. De gentog også målingerne ved at bruge andre væsker med en anden polaritet. De var derefter i stand til at bestemme, at alle molekylære interaktioner af det underliggende vand mærkes af vandmolekylerne i dråben ovenfor. Denne fuldstændige gennemsigtighed er konsekvensen af ​​grafens ekstreme tyndhed, og det forklarer, hvorfor grafen er hydrofilt på vand.

Denne opdagelse har stor indflydelse på anvendelser af grafen i sensorer, vandfiltrering, og membranbaserede brændselsceller, som alle indeholder grafen udsat for vand. Udviklere bliver nødt til at overveje et helt andet udgangspunkt, nemlig at den grafen, de arbejder med, ikke er hydrofob, men hydrofilt.