Voorruiten die water zo effectief afvoeren dat ze geen ruitenwissers nodig hebben. Scheepsrompen zo glad dat ze efficiënter door het water glijden dan gewone rompen.

Dit zijn enkele van de mogelijke toepassingen voor grafeen, een van de populairste nieuwe materialen op het gebied van nanotechnologie, opgevoed door het onderzoek van James Dickerson, assistent-professor natuurkunde aan Vanderbilt.

Dickerson en zijn collega's hebben ontdekt hoe ze een vrijstaande film van grafeenoxide kunnen maken en de oppervlakteruwheid ervan kunnen veranderen, zodat het water parelt en wegstroomt of het zich in een dunne laag verspreidt.

"Grafeenfilms zijn transparant en, omdat ze van koolstof zijn gemaakt, ze zijn erg goedkoop om te maken, " zei Dickerson. "De techniek die we gebruiken kan snel worden opgeschaald om het in commerciële hoeveelheden te produceren."

Zijn aanpak is gedocumenteerd in een artikel dat online is gepubliceerd door het tijdschrift ACS Nano op 26 november.

Grafeen bestaat uit vellen koolstofatomen die in ringen zijn gerangschikt - zoiets als moleculair kippengaas. Dit is niet alleen een van de dunst mogelijke materialen, maar het is 10 keer sterker dan staal en geleidt elektriciteit beter bij kamertemperatuur dan enig ander bekend materiaal. De exotische eigenschappen van grafeen hebben wijdverbreide wetenschappelijke belangstelling gewekt, maar Dickerson is een van de eersten die onderzoekt hoe het in wisselwerking staat met water.

Veel wetenschappers die grafeen bestuderen, maken het met een droge methode, genaamd "mechanische splitsing, " waarbij grafiet tegen een hard oppervlak wordt geschraapt of geschraapt. De techniek produceert platen die zowel extreem dun als extreem kwetsbaar zijn. De methode van Dickerson kan platen produceren die even dun maar aanzienlijk sterker zijn dan die welke met andere technieken worden gemaakt. Het wordt al commercieel gebruikt om een verscheidenheid aan verschillende coatings en keramiek. Bekend als elektroforetische depositie, deze "natte" techniek combineert een elektrisch veld in een vloeibaar medium om nanodeeltjesfilms te creëren die naar een ander oppervlak kunnen worden overgebracht.

Dickerson en zijn collega's ontdekten dat ze de manier waarop de grafeenoxidedeeltjes zich tot een film vormen, konden veranderen door de pH van het vloeibare medium en de elektrische spanning die in het proces wordt gebruikt, te variëren. Een paar instellingen legt de deeltjes neer in een "tapijt" -arrangement dat een bijna atomair glad oppervlak creëert. Een ander paar instellingen zorgt ervoor dat de deeltjes in kleine "steentjes" klonteren en een hobbelig en oneffen oppervlak vormen. De onderzoekers stelden vast dat het oppervlak van het tapijt ervoor zorgt dat water zich in een dunne laag verspreidt, terwijl het stenen oppervlak ervoor zorgt dat water parelt en wegloopt.

Dickerson streeft naar een aanpak die film zou kunnen creëren die deze met water geassocieerde eigenschappen verbetert, waardoor ze nog effectiever zijn in het verspreiden van water of het laten parelen en weglopen. Er is aanzienlijke academische en commerciële belangstelling voor de ontwikkeling van coatings met deze verbeterde eigenschappen, superhydrofoob en superhydrofiel genoemd. Mogelijke toepassingen variëren van zelfreinigende brillen en kleding tot anticondensoppervlakken tot corrosiebescherming en bescherming tegen sneeuwbelasting op gebouwen. Echter, effectief, goedkope en duurzame coatings moeten het laboratorium nog halen.

Het idee van Dickerson is om zijn basisprocedure toe te passen op "fluorographeen" - een gefluoreerde versie van grafeen die een tweedimensionale versie van Teflon is - onlangs geproduceerd door Kostya S. Novoselov en Andre K. Geim aan de Universiteit van Manchester, die in 2010 de Nobelprijs ontving voor de ontdekking van grafeen. Normaal fluorografeen onder spanning zou aanzienlijk effectiever moeten zijn in het afstoten van water dan grafeenoxide. Er is dus een goede kans dat een 'baksteen'-versie en een 'tapijt'-versie extreme watergerelateerde effecten hebben, Dickerson-figuren.