(Phys.org) -Wetenschappers hebben lang waargenomen dat de bevochtigbaarheid van grafeen - een in wezen tweedimensionale kristallijne allotroop van koolstof die vreemd interageert met licht en met andere materialen - kan worden omgekeerd tussen hydrofobe en hydrofiele toestanden door ultraviolet (UV) toe te passen bestraling. Echter, een verklaring voor dit gedrag is ongrijpbaar gebleven. Onlangs, onderzoekers van de University of New South Wales en de University of Technology, Sydney onderzoekt dit fenomeen zowel experimenteel als door berekeningen met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) - een computationele kwantummechanische modelleringsmethode - en ontdekt dat UV-straling deze omkeerbare en controleerbare overgang mogelijk maakt in grafeenfilms die defecten hebben veroorzaakt door watersplitsingsadsorptie op het grafeenoppervlak van H ₂ O moleculen in de lucht. ( Water splijten is de chemisch dissociatieve reactie waarbij water wordt gescheiden in hydroxyl en waterstof; hydroxyl is een chemische functionele groep die een zuurstofatoom bevat, verbonden door een covalente binding aan een waterstofatoom; en adsorptie is de adhesie van atomen, ionen, of moleculen uit een gas, vloeistof, of opgeloste vaste stof op een oppervlak.)

De wetenschappers concluderen dat hun ontdekking nieuwe inzichten kan opleveren in de fundamentele principes van watersplitsing met op grafeen gebaseerde materialen, en kan daardoor leiden tot andere toepassingen – waaronder elektrokatalyse, nanomaterialen; nano-elektromechanische systemen, biomaterialen, microfluïdische apparaten, hybride organische systemen, en andere geavanceerde multifunctionele systemen.

Dr. Zhimin Ao besprak het artikel dat hij, Promovendus Zhemi Xu en hun co-auteurs gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten en de belangrijkste uitdagingen waarmee de onderzoekers werden geconfronteerd. "De belangrijkste uitdaging - en de motivatie voor het uitvoeren van het onderzoek - was om het echte mechanisme van de omkeerbare bevochtigbaarheidsovergang onder UV-straling te onthullen en het te isoleren van verschillende mogelijke redenen, zoals de verontreiniging van chemicaliën op monsters of veroorzaakt door moleculen in de lucht, "Ao vertelt Phys.org . "We moesten ook H . identificeren ₂ O in plaats van andere mogelijke moleculen in de lucht, die bijdraagt ​​aan de bevochtigbaarheidsovergang onder UV-straling." Na het bepalen van de bijdrage van H ₂ O, hij voegt toe, een andere uitdaging was om het adsorptietype van H . te begrijpen ₂ O voor de bevochtigbaarheidsovergang - dat wil zeggen, chemische of fysische adsorptie.

"Ten tweede, "Aa gaat verder, "om nadelen van chemische doping en geïnduceerde defecten te elimineren - zoals organische moleculen op het grafeenmonster - die een belangrijke factor kunnen zijn in de bevochtigbaarheidsovergang van grafeen onder UV, de monsters werden twee uur in een vacuüm bewaard om verontreinigingen op het grafeenoppervlak te verwijderen." de meeste resterende grafeendefecten, zoals vacatures, randen en korrelgrens, zou er zijn vanwege het syntheseproces.

"Volgens onze berekeningen op gebreken van vacatures, rand en korrelgrens, watersplitsing kan gemakkelijker te bereiken zijn. Echter, andere defecten kunnen ook de bevochtigbaarheid van grafeen beïnvloeden, zoals aluminiumdoping, die is gemeld door een ander papier ¹ van mijn groep."

De belangrijkste techniek die de onderzoekers gebruikten om deze uitdagingen aan te pakken, was het combineren van experimenten en berekeningen op basis van de eerste beginselen. "Bij ons experiment we hebben aangetoond dat de bevochtigbaarheid van grafeen omkeerbaar kan worden afgestemd door UV-straling in lucht en vacuümopslag, "Ao zegt. "Bovendien, computationele berekeningen stellen ons in staat om het exacte effect van elke individuele factor te begrijpen." Na het vergelijken van hun experimentele en berekeningsresultaten, de wetenschappers ontdekten dat de Raman-spectra van het experiment vergelijkbaar waren met die van H ₂ O dissociatieve adsorptie op grafeen. (Bij grafeenonderzoek, Raman-spectroscopie wordt gebruikt om het aantal en de oriëntatie van lagen te bepalen, de kwaliteit en soorten rand, en de gevolgen van verstoringen, zoals elektrische en magnetische velden, deformatie, en doping.) Bovendien ze beschouwden ook bestralingen onder verschillende omstandigheden, zoals in O ₂ en H ₂ O rijke omgevingen, en vond dat H ₂ O-concentratie had duidelijk invloed op de bevochtigbaarheidsverandering van grafeen na bestraling. "Daarom, "Ao voegt eraan toe, "we concludeerden dat H ₂ O dissociatieve adsorptie op grafeen induceert de omkeerbare bevochtigbaarheidsovergang."

De directe toepassing voor deze aanpak is watersplitsing - een zeer belangrijke stap in, bijvoorbeeld, waterstofgeneratie:met behulp van de techniek in dit werk, H ₂ O-moleculen kunnen gemakkelijk worden gesplitst in OH ^- en H ⁺ groepen en geadsorbeerd op defect-geïnduceerd grafeen onder UV-straling. Na bestraling, de twee groepen kunnen gemakkelijk uit het grafeen worden gedesorbeerd en waterstof produceren, waardoor het grafeen continu kan worden gebruikt als katalysator voor watersplitsing.

Ao wijst erop dat bij het fabriceren van apparaten op basis van grafeen - bijvoorbeeld zonnecellen - laag-voor-laag fabricage van materialen is vereist. "Hydrofiel grafeen laat zich gemakkelijker aanpassen en combineren met andere materialen dan hydrofoob grafeen. in het geval van biomaterialen, hydrofiel grafeen zou wenselijk zijn voor het biomolecuulcontact."

Het blijkt dat het bereiken van omkeerbare bevochtigbaarheid van grafeen kan worden bereikt met behulp van andere technieken, inclusief externe elektrische velden, plasmabehandeling, magnetische velden, en neutronendiffractie. "Werkelijk, het werk met het bereiken van omkeerbare bevochtigbaarheid van grafeen met behulp van externe elektrische velden werd ook gerapporteerd ² door mijn groep op basis van eerste-principe berekeningen. Vergeleken met het gebruik van externe elektrische velden, UV-straling is gemakkelijk te realiseren in experiment, terwijl een zeer hoog elektrisch veld vereist is om de bevochtigbaarheidsovergang te realiseren, opmerkend dat een experiment onder een sterk elektrisch veld aan de gang is. "Plasma heeft nog meer energie, en kan leiden tot meer defecten in grafeen. Echter, het plasmabehandelingsproces is ingewikkelder en stelt hogere eisen."

Vooruit kijken, Oa merkt op dat ze het mechanisme voor de hydrofobe naar hydrofiele overgang van grafeen onder UV-straling verder moeten verduidelijken, omdat de laatste zelf grafeendefecten kan veroorzaken. "Hoewel men dacht dat UV-straling defecten in grafeen veroorzaakt, het probleem is dat deze gebreken niet duidelijk zijn omdat deze energiebron niet sterk genoeg is. Om het omkeerbare bevochtigingsmechanisme verder te verduidelijken, we kunnen verschillende energiebronnen gebruiken om de transitie te onderzoeken, zoals röntgen- en neutronendiffractie." Ze zijn ook van plan om geleidbaarheidsverandering en transporteigenschappen onder UV-straling te onderzoeken.

"Een grafeenfilm met een hoge elektrische geleidbaarheid en een hoge hydrofiliciteit is altijd wenselijk, "Ao vertelt Phys.org . "Echter, deze twee eigenschappen zijn normaal gesproken tegen elkaar bestand. Bij het werken met op grafeen gebaseerde apparaten, het onderzoeken van de elektrische geleidbaarheidsvariatie van grafeen in dergelijke processen kan helpen om deze twee eigenschappen te beheersen en in evenwicht te brengen."

Andere gebieden die baat kunnen hebben bij hun studie, Ao concludeert, omvatten sensoren en waterstofopwekking en -opslag.

© 2014 Fys.org