Natuurkundigen van de Universiteit van Umeå en de Humboldt Universiteit in Berlijn hebben een mysterie opgelost dat wetenschappers al een halve eeuw bezighoudt. Ze laten met behulp van krachtige microscopen zien dat de afstand tussen grafietoxidelagen geleidelijk groter wordt wanneer watermoleculen worden toegevoegd. Dat komt omdat het oppervlak van grafietoxide niet vlak is, maar varieert in dikte met "heuvels" en "dalen" van nanogrootte. De nieuwe bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano-letters .

"Nu kunnen we de mechanismen van het inbrengen van oplosmiddelen tussen lagen grafeenoxide beter begrijpen. Het vergroot onze kennis van de ultradunne membranen en helpt bij het ontwerpen van nieuwe soorten membranen met permeatie-eigenschappen die fijn kunnen worden aangepast door water en verschillende andere oplosmiddelen toe te voegen, "zegt Alexandr Talyzin, onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Umeå.

Grafietoxide is een uniek en nuttig materiaal, met veel ongebruikelijke eigenschappen. Het kan gemakkelijk oplossen in water en enkele atomaire lagen van grafeenoxidevellen vormen. De superdunne vlokken kunnen vervolgens worden gerangschikt in een meerlaags membraan met het unieke vermogen om verschillende oplosmiddelen tussen de lagen op te nemen.

Al in de jaren 60 werden dergelijke membranen getest voor zeewaterontzilting en filtratietoepassingen. Recente studies tonen aan dat de grafeenoxidemembranen ook kunnen worden gebruikt om vloeistoffen en gassen te scheiden. Dunne grafeenoxidefilms kunnen binaire gasmengsels met redelijk hoge efficiëntie scheiden. Nog interessanter, de scheidingseigenschappen kunnen fijn worden aangepast door waterdampen.

Watermoleculen dringen gemakkelijk tussen de grafeenoxidelagen door en het is al lang bekend dat de afstand tussen de grafeenoxidelagen afhankelijk is van de vochtigheid. Door eenvoudige logica, het betekent dat de afstand tussen de lagen moet veranderen in stappen die overeenkomen met de grootte van de watermoleculen. Wat wetenschappers al een halve eeuw bezighoudt, is dat de afstand tussen de lagen, zoals gemeten door diffractiemethoden, verandert geleidelijk evenredig met de vochtigheidsverandering.

"Blijkbaar, we kunnen geen kwart moleculen of halve moleculen plaatsen. Dus waarom zien we continue veranderingen in de afstand tussen de grafeenoxidelagen? We besloten de lagen grafeenoxide te bestuderen met moderne microscopische methoden, wat vreemd genoeg nog niet eerder was gedaan", zegt Alexandr Talyzin.

Tot dusver was de puzzel verklaard met een fenomeen dat interstratificatie wordt genoemd - een willekeurige stapeling van lagen met een verschillend aantal waterlagen - en wat wordt gemeten door diffractiegegevens is een gemiddelde waarde die verband houdt met de verschillende verhoudingen tussen het aantal lagen met verschillende graden van hydratatie.

De nieuwe studie uitgevoerd door natuurkundigen van de Humboldt Universiteit in Berlijn samen met het onderzoeksteam van Alexandr Talyzin aan de Universiteit van Umeå geeft een andere verklaring. Met microscopie van zeer hoge resolutie, Scankrachtmicroscopie, de onderzoekers konden de absolute afstand tussen twee grafeenoxidelagen meten en veranderingen registreren als een functie van vochtigheid.

"De afstand tussen twee enkele grafeenoxidelagen veranderde duidelijk weer geleidelijk, maar de verklaring voor dit effect werd onthuld als gebieden ter grootte van nanometers die niet in gelijke mate met water waren gevuld. Natuurlijk, het effect van interstratificatie werd uitgesloten in onze experimenten omdat we slechts twee lagen en een enkele afstand bestudeerden", zegt Alexandr Talyzin.

De resultaten geven aan dat het afbeelden van grafeenoxide als een plat vlak niet correct is. Het is, liever, een relatief dikke laag (ongeveer twee keer de dikte van grafeen) met een variatie in dikte, inclusief "heuvels" en "dalen" van verschillende grootte. Door watermoleculen toe te voegen wordt deze laag plaatselijk dikker, maar niet noodzakelijk vanwege de exacte grootte van het watermolecuul als sommige "dalen" eerst worden gevuld. Wanneer alle beschikbare wateradsorptieplaatsen ("dalen") zijn gevuld, een extra waterlaag wordt in één keer toegevoegd. Dit gebeurt bij zeer hoge luchtvochtigheid of in vloeibaar water.

Over grafietoxide:

Grafeen is een dunne laag koolstof, slechts één atoom dik. Het is een uniek adsorberend materiaal vanwege het extreem grote oppervlak. Eén gram grafeen heeft een oppervlak vergelijkbaar met een voetbalveld. Deze ruimte zou ideaal zijn voor adsorptie van gassen en vloeistoffen in toepassingen voor gasopslag, extractie van onzuiverheden uit water, enzovoort, tenzij het grafeen hydrofoob zou zijn, wat betekent dat het oppervlak water afstoot. Oxidatie van grafeen resulteert in opmerkelijke veranderingen van zijn eigenschappen. Grafeenoxide is hydrofiel en wordt aangetrokken door water, en is zelfs zeer goed oplosbaar in water. Een materiaal dat uit vele lagen grafeenoxide bestaat, wordt grafietoxide genoemd. Een mogelijke toepassing op milieugebied is het zuiveren van verontreinigde grond en zeewater. Grafeenoxide functioneert als een filter dat alle andere componenten in water scheidt, behalve de watermoleculen.