Grafeen is het dunste materiaal dat de wetenschap kent. Het nanomateriaal is zo dun, in feite, water weet vaak niet eens dat het er is.

Ingenieursonderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute en Rice University coaten goudstukken, koper, en silicium met een enkele laag grafeen, en plaats vervolgens een druppel water op de gecoate oppervlakken. Verrassend genoeg, de laag grafeen bleek vrijwel geen invloed te hebben op de manier waarop water zich over de oppervlakken verspreidt.

De resultaten van de studie werden zondag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen . De bevindingen kunnen helpen bij het informeren van een nieuwe generatie op grafeen gebaseerde flexibele elektronische apparaten. Aanvullend, het onderzoek suggereert een nieuw type warmtepijp die met grafeen gecoat koper gebruikt om computerchips te koelen.

De ontdekking kwam voort uit een universitaire samenwerking onder leiding van Rensselaer Professor Nikhil Koratkar en Rice Professor Pulickel Ajayan.

"We hebben verschillende oppervlakken gecoat met grafeen, en doe er dan een druppel water op om te zien wat er zou gebeuren. Wat we zagen was een grote verrassing - er veranderde niets. Het grafeen was volledig transparant voor het water, " zei Koratkar, een lid van de faculteit in de afdeling Mechanische, ruimtevaart, en Nuclear Engineering en het Department of Materials Science and Engineering bij Rensselaer. "De enkele laag grafeen was zo dun dat het de niet-bindende Van der Waals-krachten die de interactie van water met het vaste oppervlak regelen niet significant verstoorde. Het is een opwindende ontdekking, en is een ander voorbeeld van de unieke en buitengewone eigenschappen van grafeen."

De resultaten van het onderzoek zijn gedetailleerd in de Natuurmaterialen paper "Wetting transparantie van grafeen." Zie de paper online op:http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3228

In wezen een geïsoleerde laag van het grafiet dat vaak wordt aangetroffen in onze potloden of de houtskool die we op onze barbecues verbranden, grafeen is een enkele laag koolstofatomen die zijn gerangschikt als een kippengaashek op nanoschaal. Van grafeen is bekend dat het uitstekende mechanische eigenschappen heeft. Het materiaal is sterk en taai en door zijn flexibiliteit kan het bijna elk oppervlak gelijkmatig coaten. Veel onderzoekers en technologieleiders zien grafeen als een mogelijk materiaal dat de komst van flexibele, flinterdunne apparaten en displays. Gebruikt als coating voor dergelijke apparaten, het grafeen zou zeker in contact komen met vocht. Begrijpen hoe grafeen interageert met vocht was de aanzet voor deze nieuwe studie.

Het verspreiden van water op een vast oppervlak wordt bevochtiging genoemd. Het berekenen van de bevochtigbaarheid omvat het plaatsen van een druppel water op een oppervlak, en vervolgens de hoek te meten waaronder de druppel het oppervlak raakt. De druppel zal opbollen en een hoge contacthoek hebben op een hydrofoob oppervlak. omgekeerd, de druppel spreidt zich uit en heeft een lage contacthoek op een hydrofiel oppervlak.

De contacthoek van goud is ongeveer 77 graden. Koratkar en Ajayan ontdekten dat na het coaten van een gouden oppervlak met een enkele laag grafeen, de contacthoek werd ongeveer 78 graden. evenzo, de contacthoek van silicium steeg van ongeveer 32 graden naar ongeveer 33 graden, en koper nam toe van ongeveer 85 graden tot ongeveer 86 graden, na het toevoegen van een laag grafeen.

Deze resultaten verrasten de onderzoekers. Grafeen is ondoordringbaar, omdat de kleine ruimtes tussen de verbonden koolstofatomen te klein zijn voor water, of een enkel proton, of iets anders om doorheen te passen. Daarom, men zou verwachten dat water niet zou werken alsof het op goud was, silicium, of koper, omdat de grafeencoating voorkomt dat het water rechtstreeks in contact komt met deze oppervlakken. Maar de onderzoeksresultaten laten duidelijk zien hoe het water de aanwezigheid van het onderliggende oppervlak kan voelen, en verspreidt zich over die oppervlakken alsof het grafeen helemaal niet aanwezig is.

Toen de onderzoekers het aantal lagen grafeen verhoogden, echter, het werd minder transparant voor het water en de contacthoeken sprongen aanzienlijk. Na het toevoegen van zes lagen grafeen, het water zag het goud niet meer, koper, of silicium en gedroeg zich in plaats daarvan alsof het op grafiet zat.

De reden voor dit verwarrende gedrag is subtiel. Water vormt chemische of waterstofbruggen met bepaalde oppervlakken, terwijl de aantrekkingskracht van water op andere oppervlakken wordt bepaald door niet-bindende interacties die van der Waals-krachten worden genoemd. Deze niet-bindende krachten zijn niet anders dan een nanoschaalversie van zwaartekracht, zei Koratkar. Net zoals de zwaartekracht de interactie tussen de aarde en de zon dicteert, van der Waals-krachten dicteren de interactie tussen atomen en moleculen.

In het geval van goud, koper, silicium, en andere materialen, de van der Waals-krachten tussen het oppervlak en de waterdruppel bepalen de aantrekkingskracht van water op het oppervlak en bepalen hoe water zich op het vaste oppervlak verspreidt. In het algemeen, deze krachten hebben een bereik van minimaal enkele nanometers. Vanwege het lange bereik, deze krachten worden niet verstoord door de aanwezigheid van een enkele atoomdikke laag grafeen tussen het oppervlak en het water. Met andere woorden, de van der Waals-krachten kunnen "door" ultradunne grafeencoatings heen kijken, zei Koratkar.

Als je doorgaat met het toevoegen van extra lagen grafeen, echter, de van der Waals-krachten "zien" steeds meer de koolstofcoating bovenop het materiaal in plaats van het onderliggende oppervlaktemateriaal. Na het stapelen van zes lagen grafeen, de scheiding tussen het grafeen en het oppervlak is voldoende groot om ervoor te zorgen dat de van der Waals-krachten nu niet langer de aanwezigheid van het onderliggende oppervlak kunnen voelen en in plaats daarvan alleen de grafeencoating zien. Op oppervlakken waar water waterstofbruggen vormt met het oppervlak, het hierboven beschreven bevochtigingstransparantie-effect gaat niet op omdat dergelijke chemische bindingen zich niet door de grafeenlaag kunnen vormen.

Naast het uitvoeren van fysieke experimenten, de onderzoekers hebben hun bevindingen geverifieerd met moleculaire dynamica-modellering en klassieke theoretische modellering.

"We ontdekten dat van der Waals-krachten niet worden verstoord door grafeen. Dit effect is een artefact van de extreme dunheid van grafeen - dat slechts ongeveer 0,3 nanometer dik is, "Zei Koratkar. "Niets kan de dunheid van grafeen evenaren. Daarom, grafeen is het ideale materiaal voor bevochtigingshoektransparantie."

"Bovendien, grafeen is sterk en flexibel, en het barst niet gemakkelijk uit elkaar, "zei hij. "Bovendien, het is gemakkelijk om een ​​oppervlak te coaten met grafeen door middel van chemische dampafzetting, en het is relatief eenvoudig om uniforme en homogene grafeencoatings over grote oppervlakken aan te brengen. Eindelijk, grafeen is chemisch inert, wat betekent dat een grafeencoating niet zal oxideren. Geen enkel materiaalsysteem kan alle bovenstaande eigenschappen bieden die grafeen kan bieden."

Een praktische toepassing van deze nieuwe ontdekking is het coaten van koperen oppervlakken die in luchtontvochtigers worden gebruikt. Door de blootstelling aan water, koper in ontvochtigingssystemen oxideert, wat op zijn beurt het vermogen om warmte over te dragen vermindert en het hele apparaat minder efficiënt maakt. Door het koper te coaten met grafeen wordt oxidatie voorkomen, zeiden de onderzoekers, en de werking van het apparaat wordt niet beïnvloed omdat grafeen de manier waarop water met koper in wisselwerking staat niet verandert. Ditzelfde concept kan worden toegepast om het vermogen van warmtepijpen om warmte van computerchips af te voeren, te verbeteren, zei Koratkar.

"Het is een interessant idee. Het grafeen veroorzaakt geen significante verandering in de bevochtigbaarheid van koper, en tegelijkertijd passiveert het het koperoppervlak en voorkomt het dat het oxideert, " hij zei.