TU Wenen (Wenen), De KU Leuven en de Universiteit van Zürich hebben een robuust oppervlak ontdekt waarvan de hechtende en bevochtigende eigenschappen kunnen worden omgeschakeld met behulp van elektriciteit. Dit opmerkelijke resultaat staat op de omslag van Natuur tijdschrift.

Als er regen op een lotusblad valt, het blad wordt niet nat. Dankzij de speciale structuur, de waterdruppels rollen weg zonder het oppervlak nat te maken. Kunstmatige materialen kunnen waterafstotend worden gemaakt, te. Het is, echter, uiterst uitdagend om een ​​oppervlak met schakelbare bevochtiging te produceren. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de TU Wien, De KU Leuven en de Universiteit van Zürich zijn erin geslaagd om een ​​oppervlak van een enkele laag boornitride zo te manipuleren dat het heen en weer kan worden geschakeld tussen toestanden met hoge en lage bevochtiging en hechting.

Zeshoeken die golven maken

"Een van de meest interessante fysieke eigenschappen van een oppervlak is de stictie of statische wrijving, " zegt Stijn Mertens (Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de Technische Universiteit van Wenen, en verbonden aan de KU Leuven in België). "Deze kracht moet worden overwonnen om een ​​object op het oppervlak te laten glijden."

De nanostructuur van het oppervlak bepaalt voor een groot deel de stictie:de details van het contact tussen het oppervlak en een ander object (bijvoorbeeld een druppel vloeistof) zijn afhankelijk van de geometrie van de atomen en andere eigenschappen. Dit is op zijn beurt cruciaal voor de hechting, stictie en bevochtiging. De relatie tussen stictie en bevochtiging, echter, wordt tot nu toe slechts slecht begrepen.

"Net zoals het materiaal grafeen uit slechts één laag koolstofatomen bestaat, ons boornitride - dat evenveel boor- als stikstofatomen bevat - heeft een dikte van slechts één atoomlaag, " legt Thomas Greber van het Natuurkundig Instituut van de Universiteit van Zürich uit. Deze ultradunne laag kan worden gekweekt op een rhodium-eenkristal. De atomen op het rhodiumoppervlak en in het boornitride vormen een hexagonaal patroon, maar de afstanden tussen de atomen in de twee materialen zijn verschillend. Dertien atomen in boornitride nemen dezelfde ruimte in als twaalf rhodiumatomen, zodat de twee kristallen niet perfect in elkaar passen. Door deze mismatch de boornitride zeshoeken moeten buigen, ze verschijnen als een bevroren golf met een golflengte van 3,2 nanometer en een hoogte van ongeveer 0,1 nanometer.

"Juist deze tweedimensionale nanogolf beïnvloedt de bevochtiging van het oppervlak door water, " zegt Stijn Mertens. In ieder geval de boornitride-bovenbouw kan met een simpele truc plat worden gemaakt:door het materiaal in zuur te leggen en een elektrische spanning aan te brengen, waterstofatomen kruipen onder de boornitridelaag en veranderen de binding tussen stikstof en rhodium. Dit maakt het boornitride vlak. Plots verandert de hechting van een waterdruppel op het oppervlak drastisch - ook al is de druppel 100.000 keer groter dan de kleine golven in het boornitride. Als de spanning wordt verlaagd, dit effect is omgekeerd:"We kunnen het oppervlak keer op keer wisselen tussen deze twee toestanden, ", legt Stijn Mertens uit.

De druppelmeetmachine

Om de bevochtiging van het oppervlak te onderzoeken en tegelijkertijd de spanning aan te brengen, speciaal voor dit doel is een instrument gebouwd, waarbij een vloeistofdruppel door een zeer dunne glazen buis op het oppervlak wordt gebracht. De druppel wordt groter en kleiner gemaakt terwijl tegelijkertijd de vorm wordt vastgelegd. Of de druppelvorm vlak of meer afgerond is, hangt af van de eigenschappen van het oppervlak.

Concepten om de bevochtiging van een oppervlak heen en weer te schakelen bestaan ​​al een tijdje. Bijvoorbeeld, organische moleculen die van vorm veranderen met licht van een bepaalde kleur kunnen aan het oppervlak worden gehecht. Echter, dergelijke moleculen zijn veel complexer en kwetsbaarder dan de hier bestudeerde materialen. "Ons oppervlak bestaat uit slechts een enkele laag atomen, is volledig anorganisch en verandert niet, zelfs niet als we het in vacuüm verwarmen tot 1000 °C, " eens Stijn Mertens en Thomas Greber. "Dit betekent dat dit materiaal ook zou kunnen worden gebruikt voor toepassingen waar organische moleculen lang zouden worden vernietigd, variërend van het dagelijks leven tot ruimtereizen."