Grafeen dat op water drijft, stoot geen water af, zoals veel onderzoekers denken, maar trekt het juist aan. Dat hebben scheikundigen Liubov Belyaeva en Pauline van Deursen en hun promotor Grégory F. Schneider aangetoond. De studie is gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Grafeen is gemaakt van hetzelfde materiaal als grafiet – bijvoorbeeld in potloden – en daarom werd lange tijd aangenomen dat, zoals grafiet, grafeen is waterafstotend. Een belangrijk verschil met grafiet is dat grafeen niet meer dan één atoom dik is.

De onderzoeken naar grafeen leidden tot verschillende ideeën over de bevochtigende eigenschappen ervan. De Leidse onderzoekers hebben nu ontdekt dat het oppervlak van grafeen op water, mits het schoon en glad is, is hydrofiel. Met andere woorden, grafeen in water trekt water aan.

Dit inzicht is van groot belang voor de toekomstige toepassingen van grafeen. Zijn dunne atoomlaag van koolstofatomen, gerangschikt in een honingraatstructuur, het materiaal geschikt maken voor gebruik in biosensoren om DNA te decoderen. Dit ultradunne materiaal kan ook worden gebruikt in sensoren, waterfiltratie en membranen van brandstofcellen. In al deze gevallen een grafeenlaag wordt aan beide zijden blootgesteld aan water.

Voor een lange tijd, grafeen werd verondersteld hydrofoob te zijn, of waterafstotend. De onderzoekers gaan ervan uit dat dit komt doordat grafeen over het algemeen op een metalen oppervlak wordt geproduceerd en later wordt overgebracht naar een vaste drager zoals een siliciumwafel. Tijdens dit overdrachtsproces echter, het grafeen kan beschadigd of verontreinigd raken, die het bevochtigingsgedrag kunnen beïnvloeden.

Om te bepalen of het oppervlak van een intacte laag grafeen hydrofiel is, er moet een druppel water op de laag worden gebracht. Aan de kromming van de druppel kan dan worden bepaald of het oppervlak waterafstotend is, net als een regenjas, of het water aantrekt. Tot zover de theorie, omdat zo'n druppel in de praktijk de dunne grafeenlaag meteen zal scheuren, resulterend in scheuren, waarna er niet veel meer te meten valt.

De onderzoekers losten dit probleem op door ijs of hydrogel te gebruiken in plaats van water als steunlaag. IJs en hydrogel zijn veel sterker en zijn goede imitators van water. De onderzoekers konden vervolgens minuscule waterdruppels op het grafeen brengen en de contacthoek tussen het grafeenoppervlak en de buitenkant van de druppel meten. Ze herhaalden de metingen ook met andere vloeistoffen met een andere polariteit. Vervolgens konden ze vaststellen dat alle moleculaire interacties van het onderliggende water worden gevoeld door de watermoleculen in de druppel erboven. Deze volledige transparantie is het gevolg van de extreme dunheid van grafeen, en het verklaart waarom grafeen hydrofiel is op water.

Deze ontdekking heeft een grote impact op toepassingen van grafeen in sensoren, water filtratie, en membraangebaseerde brandstofcellen, die allemaal zijn voorzien van grafeen dat is blootgesteld aan water. Ontwikkelaars zullen een heel ander uitgangspunt moeten overwegen, namelijk dat het grafeen waarmee ze werken niet hydrofoob is, maar hydrofiel.