De verbazingwekkende elektrische, optische en sterkte-eigenschappen van grafeen, een enkel atoom dikke laag koolstof, zijn het afgelopen decennium uitgebreid onderzocht. Onlangs, het materiaal is onderzocht als een coating die elektrische geleidbaarheid zou kunnen verlenen met behoud van andere eigenschappen van het onderliggende materiaal.

Maar de "transparantie" van zo'n grafeencoating voor bevochtiging - een maat voor de mate waarin vloeistoffen zich verspreiden of op een oppervlak parelen - is niet zo absoluut als sommige onderzoekers hadden gedacht. Nieuw onderzoek aan het MIT toont aan dat voor materialen met een gemiddelde bevochtigbaarheid, grafeen behoudt wel de eigenschappen van het onderliggende materiaal. Maar voor meer extreme gevallen:superhydrofobe oppervlakken, die sterk water afstoten, of superhydrofiele, die ervoor zorgen dat water zich verspreidt - een toegevoegde laag grafeen verandert de manier waarop gecoate materialen zich gedragen aanzienlijk.

Dat is belangrijk, omdat deze extreme gevallen over het algemeen van het grootste belang zijn. Bijvoorbeeld, Het coaten van een superhydrofoob materiaal met grafeen werd gezien als een mogelijke manier om elektronische circuits te maken die beschermd zouden worden tegen kortsluiting en corrosie in water. Maar zo eenvoudig is het niet, blijkt uit het nieuwe onderzoek.

De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven door professoren Daniel Blankschtein en Michael Strano, afgestudeerde student Chih-Jeh Shih, en drie andere MIT-postdocs en studenten.

Blankschtein, de Herman P. Meissner '29 hoogleraar Chemical Engineering, heeft lange tijd bevochtigingseigenschappen bestudeerd. Hij had grafeen niet eerder onderzocht, maar besloot de bevochtigbaarheid ervan te onderzoeken nu het een materiaal is dat van groot belang is voor onderzoekers.

Omdat de transparantie van grafeen voor bevochtigbaarheid niet perfect bleek te zijn, Blankschtein zegt, "deze bevinding kan worden gezien als een negatief resultaat." Maar, hij voegt toe, "het is niettemin uiterst belangrijk voor de wetenschappelijke gemeenschap, omdat het [laat zien] wat er in de praktijk kan worden bereikt."

De meeste elektrisch geleidende materialen, hij maakt duidelijk, zijn hydrofiel:water verspreidt zich gemakkelijk over hen, het oppervlak grondig nat maken. "Anderzijds, " hij zegt, "voor veel elektronische en militaire toepassingen, het is belangrijk om hydrofobe, elektrisch geleidende oppervlakken." En hoewel de doorzichtigheid van grafeen voor bevochtigbaarheid niet perfect is, het kan nog steeds goed genoeg zijn voor dergelijke toepassingen, hij zegt.

Dit onderzoek, die zowel theoretische modellering als experimentele bevestiging omvatte, laat zien dat door het neerleggen van een groot grafeenblad, gekweekt door een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd, op het oppervlak van een ander materiaal, "het zou mogelijk zijn om elektrische geleidbaarheid op het oppervlak te induceren, terwijl het gewenste oppervlaktebevochtigingsgedrag gedeeltelijk behouden blijft, " zegt Blankschtein. Sterker nog, hij voegt toe, de contacthoek van een dergelijk oppervlak - de maatstaf van hoe goed het bevochtiging voorkomt - "wordt beschouwd als een van de hoogst haalbare op een vlakke, elektrisch geleidend oppervlak tot nu toe."

Shih, de hoofdauteur van het artikel, zegt, "We hebben aangetoond dat de bevochtigbaarheid van een transparante, met grafeen gecoat oppervlak kan worden gemanipuleerd zonder de thermische/elektrische geleidbaarheid te ondermijnen." Dat is handig omdat "in het algemeen geleidende oppervlakken hebben een zeer hoge bevochtigbaarheid vanwege hun hoge oppervlaktespanning, en het is over het algemeen een hele uitdaging om een ​​thermisch/elektrisch geleidend oppervlak te produceren met afstembare bevochtigbaarheid" - bevochtigbaarheid die bijna naar believen kan worden geregeld.

Het team beschrijft deze gedeeltelijke overdracht van de onderliggende kenmerken als "doorschijnendheid, "in plaats van transparantie, van bevochtigbaarheid.

Door een bepaalde combinatie van een onderliggend materiaal met een grafeencoating te kiezen, verschillende combinaties van elektrische, optische en bevochtigende eigenschappen kunnen worden bereikt, Shih zegt:"Mensen kunnen de bevochtigingseigenschappen van het substraat beheersen … deze doorbraak ontkoppelt met succes de geleidbaarheid en bevochtigbaarheid van een materiaal."

Bovendien, dit opent nieuwe mogelijkheden voor praktische apparaten, omdat de betrokken materialen al veel worden gebruikt in de industrie, Shih zegt:"Vanwege de compatibiliteit met de huidige halfgeleiderprocessen, veel opwindende kansen kunnen worden nagestreefd op het gebied van micro-elektronica, nanoschaal warmteoverdracht en microfluïdische apparaten - om tegelijkertijd de gewenste bevochtigbaarheid te ontwikkelen, warmteoverdracht en elektronisch transport."

Blankschtein benadrukt dat naast de mogelijke toepassingen, "Ik ben hier enthousiast over vanuit een fundamenteel oogpunt." Het laat zien, hij zegt, dat "je niet kunt aannemen dat je gewoon een substraat kunt nemen en er grafeen op kunt laten vallen zonder het bevochtigingsgedrag te verstoren." Door dit complexe gedrag te begrijpen, "Daar kunnen we van leren profiteren."