Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) hebben vloeistofdruppels verplaatst met behulp van lange chemische gradiënten gevormd op grafeen. De verandering in concentratie van fluor of zuurstof gevormd met behulp van een eenvoudig plasma-gebaseerd proces duwt of trekt druppeltjes water of zenuwgas simulant over het oppervlak. Deze nieuwe prestatie biedt potentiële toepassingen, variërend van elektronica tot mechanische resonatoren tot bio/chemische sensoren.

NRL-wetenschappers hebben aangetoond dat het mogelijk is om een ​​chemische gradiënt te creëren op grafeen, die kleine vloeistofdruppels duwt of trekt. Verlopen in de bevochtigbaarheid van een materiaal komen veel voor in de natuur, zoals het beroemde lotusbladeffect of in spinnenwebben. Onderzoekers die deze effecten bestuderen, hebben ontdekt dat het nuttig is, de helling moet bijzonder glad zijn zonder gebreken die de waterdruppel kunnen blijven haken. Het effect is eerder bereikt met grote moleculen of polymeren, maar niet met grafeen - een laag koolstof van slechts één atoom dik. Door de chemische flexibiliteit van die koolstof konden zowel zuurstof- als fluorgradiënten worden gecreëerd. De mechanische sterkte van grafeen betekent dat deze door grafeen ondersteunde chemische gradiënten op veel verschillende oppervlakken kunnen worden overgedragen. gecombineerd, deze voordelen bieden potentiële doorbraken in het ontwerp van apparaten voor toepassingen variërend van microfluïdica tot detectie. Het onderzoek verschijnt op 25 juni, 2013, uitgave van het tijdschrift ACS Nano .

Het creëren van de chemische gradiënten vereist een delicate aanraking. Hoewel grafeen een robuust materiaal is, het is nog steeds maar een atoom dik - een te energieke reactie kan het uit elkaar scheuren. De ideale oplossing was om een ​​door NRL gepatenteerde plasmaverwerkingstechnologie te gebruiken die de noodzakelijke chemische patronen op wafelschaal kan produceren in combinatie met een fysiek masker. Hier, het masker was een baldakijn dat over het grafeen hing, maar beschermde het slechts gedeeltelijk tegen het plasma. Door de overkapping hoger te plaatsen of langer te maken, ontstaan ​​verschillende hellingen, die schoon en glad zijn zonder extra bewerkingsstappen.

"Het mooie van deze benadering is het vermogen om snel chemische gradiënten van een gewenste schaal te produceren of arrays van meerdere gradiënten over grote oppervlakten te bouwen. Deze combinatie is zeer wenselijk wanneer men kijkt naar de grootschalige fabricage van apparaten, " zei Scott Walton, hoofd van de sectie Plasmatoepassingen bij het NRL. "Een interessante eigenschap van grafeen is dat het op veel verschillende substraten kan worden overgedragen, " merkt co-auteur Paul Sheehan op, van de Chemie Divisie van NRL. "In principe, men zou deze chemische gradiënt op veel verschillende substraten kunnen creëren, iets dat tot nu toe moeilijk is geweest."

Het onderzoeksteam produceerde en testte twee verschillende chemische gradiënten en testte ze vervolgens met twee vloeistoffen, water en dimethyl-methylfosfonaat (een zenuwgassimulant). Voor beide vloeistoffen geldt een gradiënt van functionele zuurstofgroepen trok de vloeistofdruppels naar een toenemende zuurstofconcentratie. Een fluorgradiënt deed precies het tegenovergestelde, het duwen van de druppel in de richting van afnemend fluor. De bewegingsrichting wordt in grote lijnen toegeschreven aan verschuivingen in de oppervlakte-energie op de gefunctionaliseerde oppervlakken.

Ergens naar uitkijken, de groep gelooft dat de chemische gradiënten kunnen worden gebruikt om kleinere druppeltjes en misschien zelfs enkele moleculen voort te stuwen. De mogelijkheid om vloeistoffen of adsorbaten over het oppervlak te verplaatsen, biedt extra mogelijkheden bij het ontwerpen van apparaten voor toepassingen variërend van microfluïdica tot chemische detectie. "Goed gecontroleerde oppervlaktemodificaties bieden de mogelijkheid om de materiaaleigenschappen lokaal te manipuleren, individueel aanpakken van de sensorische en transducerende componenten van een hybride materiaal, die een scala aan mogelijkheden bieden in een verscheidenheid aan toepassingen, " zegt Sandra Hernandez, de NRC-NRL postdoctoraal onderzoeksmedewerker die ontwierp, gefabriceerd, en karakteriseerde de gradiënten. "Je kunt je voorstellen dat deze films helpen bij het ontsmetten van een gebouw of kleding door het middel naar een absorber of een katalysator te trekken die ze afbreekt, " voegt Dr. Sheehan toe. "Als alternatief, het zou kunnen werken als een radarschotel voor een sensor door alle agenten in een groot gebied naar een klein, laagvermogensensor."