Ny undersøgelse afslører, at et grafenark opfører sig som et spejl for vandmolekyler

En nylig offentliggjort undersøgelse ledet af forskere fra Virginia Commonwealth University kaster nyt lys over, hvordan vand interagerer med nanomaterialet grafen, en enkelt, tyndt lag carbonatomer arrangeret i et sekskantet bikagegitter.

Forskernes fund kan have konsekvenser for en række forskellige applikationer, herunder sensorer, brændselscellemembraner, vandfiltrering, og grafenbaserede elektrodematerialer i højtydende superkapacitorer.

Studiet, "Korrelationer mellem opløsningsmiddel og opløsningsmiddel på tværs af grafen:Effekten af ​​billedafgifter, "blev offentliggjort i American Chemical Society journal ACS Nano og blev ledet af Neda Ojaghlou, Ph.d., der udførte forskningen som doktorand på Institut for Kemi i College of Humanities and Sciences.

Projektet omhandlede et vigtigt studieområde for medicin, industri og videnskab:Forståelse for hvordan væsker - hovedsageligt vand - interagerer med overflader. Disse interaktioner måles på flere måder, men især ved at overvåge "befugtning, "udledes af formen af ​​en dråbe på en overflade. Hvis en dråbe er flad, overfladen betragtes som "hydrofil, "som et vådt glas. Hvis dråben ligner en kugle, det er "hydrofobt, "som en dråbe på en varm pande.

"En ekstremt vigtig overflade til at studere befugtningen er et grafenark. Grafen er et af de mest fremtrædende nanomaterialer, "Sagde Ojaghlou." Det er kemisk, elektriske og mekaniske egenskaber ligger til grund for en bred vifte af applikationer fra mobiltelefoner til produktion af tennisketter, og fra elektroniske apparater til bilproduktion. Grafen befugtning er også vigtig i biologiske overflader og design af superkapacitorer. "

I dette studie, forskerne undersøgte den forbedrede grafens tilbøjelighed til at våde, hvis der er vand på den anden side af arket. De brugte avancerede computersimuleringer til at studere denne effekt på molekylært niveau.

"Ved at forbedre grafenmodellen, vi har for første gang vist, hvordan grafens ledningsevne fører til befugtning af gennemsigtighed. Ledningsevne betyder forskydning af elektriske ladninger af carbonatomer for at reagere på tilstedeværelsen af ​​vand elektriske dipolmomenter. Disse elektriske udsving på kulstofatomer, som er ekstremt svære at simulere, modulere interaktionen mellem vandmolekyler på de to sider af arket "Sagde Ojaghlou." Kort sagt vi har taget grafenkonduktiviteten i betragtning, og det giver en meget bedre forklaring på befugtning af grafen, når der er vand på den anden side. "

Dusan Bratko, Ph.d., professor i Institut for Kemi og forfatter til papiret, sagde, at fundene er en vigtig opdagelse.

"Ved kontakt med vand, grafen forstyrrer hydrogenbindinger mellem vandmolekylerne, erstatte dem med svagere dispersionstrækning til kulstofatomer. Ikke desto mindre, pænt grafen viser sig at være svagt hydrofilt. Dette forklares delvist af grafenets ledningsevne, som tilføjer en interessant attraktiv mekanisme mellem vandige dipoler og forbigående ladninger induceret på carbonatomer, "Sagde Bratko.

"En tidligere ukendt funktion, der blev afsløret ved teamets beregningsmetode, er synergien af ​​induktionseffekterne, når der er vand på begge sider af et grafenark, "sagde han." I dette nye billede, grafen spiller en aktiv rolle i kommunikationen mellem de modstående hydreringslag. Som resultat, grafen er betydeligt lettere at væde fra begge sider end fra den ene side alene. Dette er vigtigt, da det tidligere scenario forekommer i mange praktiske anvendelser. De to adskilte adfærd er blevet angivet i forsøg med vand og kan forventes med andre dipolære og ioniske væsker eller opløsninger. "

Mahdi Shafiei, Ph.d., også en tidligere doktorand ved VCU og forfatter til papiret, sagde holdets fund kunne forklares som at vise, hvordan et grafenark "opfører sig som et spejl for vandmolekyler."

"I vores arbejde, vi forklarer billedladninger for at lede grafen for første gang, "Sagde Shafiei." Vores arbejde har mindst to betydelige virkninger:Det kaster lys over vanddråbernes adfærd på grafen understøttet af vand, og vi udvider den teoretiske viden om ledning af grafen og billedladninger på dem. "