Een techniek voor het onderzoeken van het bevochtigingsgedrag van water op fosforeen - de enkellaagse vorm van zwarte fosfor - is ontwikkeld door A * STAR-onderzoekers die een beter inzicht willen krijgen in de eigenschappen die commerciële toepassingen mogelijk maken.

fosforeen, in tegenstelling tot andere veelgebruikte 2D-materialen, zoals grafeen en molybdeendisulfide, bezit structurele anisotropie, waarin het verschillende fysieke eigenschappen vertoont langs assen in verschillende richtingen. Door deze eigenschap kan fosforeen met instelbare bevochtigbaarheid worden gefabriceerd voor gebruik in de biologische wetenschappen. Maar tot nu toe, er was weinig bekend over het bevochtigingsgedrag van dit materiaal.

Om het potentieel van fosforeen te realiseren, echter, vereist een grondig begrip van hoe het interageert met biomoleculen en vloeistoffen. Dit dreef Chen Shuai, en collega's van het A*STAR Institute of High Performance Computing om een ​​techniek te ontwikkelen voor het onderzoeken van de bevochtigingseigenschappen van waterdruppels op fosforeen.

De onderzoekers onderzochten de contacthoek, een maat voor de relatieve sterkte van de interactie tussen het fosforeen en de waterdruppels, die de bevochtigbaarheidskenmerken bepaalt. Veel eigenschappen van fosforeen, zoals elektronische band gap en atomaire/moleculaire adsorptie, zijn laagafhankelijk, dus hielden ze ook rekening met het bevochtigingsgedrag op meerlaags fosforeen.

Om dit te doen, gebruikten ze eerst moleculaire dynamica-simulaties om de effecten van verschillende druppelgroottes en het aantal fosforeenlagen op de contacthoek te observeren.

Omdat fosforeen een sterke structurele anisotropie heeft, ze onderzochten ook het diffusiegedrag van waterdruppels op fosforeen - zowel met als zonder defecten - voor hun effect op de contacthoek.

"De contacthoek van een waterdruppel op fosforeen is belangrijk voor biologische toepassingen van fosforeen, " legt Chen uit. "Omdat het een intrinsieke eigenschap is, we onderzochten het effect van de grootte van de waterdruppels, aantal fosforeenlagen, en defectverdeling op de contacthoek van zowel ongerept als defect fosforeen."

"We ontdekten dat de contacthoek afnam wanneer het aantal fosforeenlagen toenam van één naar drie, maar vervolgens geconvergeerd naar een constante waarde wanneer het aantal lagen groter was dan drie, " zegt Chen. "De resultaten voor defectief fosforeen tonen aan dat de contacthoek langs verschillende richtingen toenam met toenemende defectconcentratie."

Het werk toont aan dat de bevochtigingseigenschap van fosforeen afstemt op het aantal lagen en de defectverdeling, die cruciaal zijn voor het manipuleren van de waterbevochtiging en eiwitadsorptie op op fosforeen gebaseerde apparaten voor gebruik in biologische en nanofluïdische toepassingen.

"Op basis van deze resultaten van ons onderzoek, we zijn nu van plan om de interactie van fosforeen met biomoleculen in een wateromgeving te onderzoeken, " zegt Chen.