(Phys.org) — Technische onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een nieuw laken ontwikkeld dat is gemaakt van grafeen - het dunste materiaal dat de wetenschap kent - dat de waterbestendige eigenschappen van materialen met ruwe oppervlakken kan verbeteren.

Deze "nanodrapes" zijn minder dan een nanometer dik, chemisch inert, en zorgen voor een beschermingslaag zonder de eigenschappen van het onderliggende materiaal te veranderen. Het team van onderzoekers, onder leiding van Rensselaer Professor Nikhil Koratkar, toonde aan hoe waterdruppels aanzienlijk minder wrijving ondervinden wanneer ze over een oppervlak bewegen dat bedekt is met een nanodrape.

Deze innovatie heeft het potentieel om te profiteren van lab-on-chip-apparaten, high-throughput testen, zelfreinigende oppervlakken, en vele andere toepassingen die de beweging van vloeistofdruppels op vaste oppervlakken vereisen.

"Grafeen nanodrapes zijn de dunste, meest pure gordijnen die we ons kunnen voorstellen. Behalve dat het een barrière vormt tegen water, deze doeken zijn optisch transparant en veroorzaken minimale veranderingen in de topologie van het onderliggende oppervlak, " zei Koratkar, de John A. Clark en Edward T. Crossan Professor of Engineering aan Rensselaer. "We ontdekten dat dit ultratransparante laken het binnendringen van water in gestructureerde oppervlakken voorkomt, die interessante en potentieel belangrijke technologische implicaties heeft voor veel toepassingen in micro- en nanofluïdica."

Waterdruppels kunnen gemakkelijk vast komen te zitten of "vastgepind" worden op een materiaal met een ruw oppervlak met nanotextuur. Wanneer de druppel op het materiaal valt, de energie van de val duwt of verplaatst de kleine hoeveelheden lucht die vastzitten in het gestructureerde oppervlak. Eenmaal in deze vastgezette staat, het is moeilijk om de druppel los te maken en over het oppervlak te verplaatsen.

Het oppervlak bedekken met een ondoordringbare grafeendoek, echter, voorkomt dat een druppel aan het oppervlak wordt vastgepind. De nanodrape creëert een barrière die voorkomt dat de waterdruppel binnendringt in en de lucht verdringt van het gestructureerde oppervlak. In plaats daarvan, de druppel zit bovenop het laken, met verminderde wrijving tussen hen, wat het op zijn beurt gemakkelijker maakt om de druppel op het oppervlak te verplaatsen, zei Koratkar. Terwijl het helpt om deze wrijving te minimaliseren, de ultratransparante nanodrape veroorzaakt minimale verstoring van het onderliggende oppervlak.

De vierkante nanodrapes zijn enkele centimeters lang, en eenmaal aangebracht op een oppervlak zijn alleen detecteerbaar met een krachtige microscoop. Koratkar en het onderzoeksteam lieten kleine hoeveelheden water vallen op een oppervlak van koperen nanostaafjes, en hetzelfde oppervlak bedekt met een nanodrape. Water dat op het kale oppervlak valt, spreidt zich uit om grote platte druppels te vormen die wijzen op een hydrofiel oppervlak, terwijl water dat op nanogedrapeerde oppervlakken viel, een veel rondere of bolvormige druppel vormde die indicatief was voor een waterafstotend of hydrofoob oppervlak. De onderzoekers gebruikten ook hogesnelheidscamera's om de vorm van de druppels te observeren en te meten terwijl ze het oppervlak raakten, verspreiden, gecontracteerd, en uiteindelijk geregeld. Eenmaal geregeld, de bevochtigbaarheid van het oppervlak werd gekarakteriseerd door het meten van de hoek waaronder de vloeistofdruppel in contact kwam met het vaste oppervlak.

Koratkar zei dat de waterbestendige eigenschappen duidelijk zijn na het aanbrengen van een enkele nanodrape, maar de eigenschappen worden verbeterd door de toevoeging van een paar extra lagen. Scheuren en rimpels ter grootte van een nanometer vormen zich waarschijnlijk in de eerste laag wanneer deze wordt aangebracht en zich op het oppervlak nestelt. De tweede en volgende lagen hebben waarschijnlijk minder defecten, en helpen om gebreken op de eerste laag te verdoezelen.

Koratkar en zijn onderzoeksteam creëren de nanodrapes door grafeen - een enkele laag koolstofatomen gerangschikt als een kippengaashek op nanoschaal - bovenop een koperen substraat te laten groeien. Vervolgens bedekken ze het grafeen met een polymeerfilm, en gebruik zwakke zuren om het koper te verwijderen of weg te etsen, die de polymeerlaag met de grafeenfilm eronder laat drijven op de bovenkant van de vloeibare zuren. De polymeerlaag met grafeenvel wordt vervolgens overgebracht naar een oppervlak, en de polymeerlaag wordt voorzichtig weggewassen met aceton. Wat overblijft is een enkel koolstofatoom dik, ultra-transparant, ondoordringbaar grafeen laken.

Deze studie is de laatste van Koratkar, wiens onderzoek zich op het snijvlak van nanotechnologie bevindt, energie, en duurzaamheid. Zijn werk is gericht op de synthese, karakteriseren, en toepassing van materiaalsystemen op nanoschaal, inclusief grafeen. Zijn onderzoeksgroep gebruikt verschillende technieken om manieren te onderzoeken om deze materialen in verschillende composieten te verwerken, coatings, en apparaattoepassingen.

De resultaten van de studie werden eerder dit jaar gepubliceerd door het tijdschrift ACS Nano in de paper "Graphene Drape minimaliseert de vastzetting en hysterese van waterdruppels op ruwe oppervlakken met nanotextuur."