Een recent gepubliceerde studie onder leiding van onderzoekers van de Virginia Commonwealth University werpt nieuw licht op hoe water interageert met het nanomateriaal grafeen, een, dunne laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal honingraatrooster.

De bevindingen van de onderzoekers kunnen implicaties hebben voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief sensoren, brandstofcelmembranen, water filtratie, en op grafeen gebaseerde elektrodematerialen in krachtige supercondensatoren.

De studie, "Oplosmiddel-oplosmiddelcorrelaties over grafeen:het effect van afbeeldingsladingen, " werd gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano en werd geleid door Neda Ojaghlou, doctoraat, die het onderzoek deed als promovendus bij de afdeling Scheikunde van het College of Humanities and Sciences.

Het project richtte zich op een belangrijk studiegebied voor geneeskunde, industrie en wetenschap:begrijpen hoe vloeistoffen, voornamelijk water, reageren op oppervlakken. Deze interacties worden op verschillende manieren gemeten, maar vooral door toezicht te houden op "bevochtiging, " afgeleid uit de vorm van een druppel op een oppervlak. Als een druppel plat is, het oppervlak wordt beschouwd als "hydrofiel, " als een nat glas. Als de druppel op een bol lijkt, het is "hydrofoob, "Als een druppel op een hete pan.

"Een uiterst belangrijk oppervlak om de bevochtiging te bestuderen, is een grafeenvel. Grafeen is een van de meest prominente nanomaterialen, " zei Ojaghlou. "Het is chemisch, elektrische en mechanische eigenschappen liggen ten grondslag aan een breed scala aan toepassingen, van mobiele telefoons tot de productie van tennisrackets, en van elektronische apparaten tot autofabricage. Grafeenbevochtiging is ook belangrijk in biologische oppervlakken en het ontwerpen van supercondensatoren."

In dit onderzoek, de onderzoekers onderzochten de neiging van het verbeterde grafeen om nat te worden als er water aan de andere kant van het laken is. Ze gebruikten geavanceerde computersimulaties om dit effect op moleculair niveau te bestuderen.

"Door het grafeenmodel te verbeteren, we hebben voor het eerst aangetoond hoe de geleidbaarheid van grafeen leidt tot bevochtigende transparantie. Geleidbaarheid betekent de verplaatsing van elektrische ladingen van koolstofatomen om te reageren op de aanwezigheid van elektrische dipoolmomenten in water. Deze elektrische fluctuaties op koolstofatomen, die uiterst moeilijk te simuleren zijn, moduleren de interactie van watermoleculen aan de twee zijden van de plaat, " zei Ojaghlou. "Kortom, we hebben rekening gehouden met de geleidbaarheid van grafeen, en dat geeft een veel betere verklaring voor de bevochtiging van grafeen als er water aan de andere kant is."

Dusan Bratko, doctoraat, professor in de afdeling Scheikunde en auteur van het artikel, zei dat de bevindingen een belangrijke ontdekking zijn.

"Bij contact met water, grafeen interfereert met waterstofbruggen tussen de watermoleculen, ze te vervangen door een zwakkere dispersie-aantrekking tot koolstofatomen. Niettemin, puur grafeen blijkt zwak hydrofiel te zijn. Dit wordt deels verklaard door de geleidbaarheid van grafeen, wat een interessant aantrekkelijk mechanisme toevoegt tussen waterige dipolen en voorbijgaande ladingen geïnduceerd op koolstofatomen, ' zei Bratko.

"Een voorheen onbekende functie die werd onthuld door de computationele benadering van het team, is de synergie van de inductie-effecten wanneer water aan beide zijden van een grafeenvel aanwezig is, "zei hij. "Op deze nieuwe foto, grafeen speelt een actieve rol bij de communicatie tussen de tegenover elkaar liggende hydratatielagen. Als resultaat, grafeen is van beide kanten aanzienlijk gemakkelijker nat te maken dan alleen van één kant. Dit is belangrijk omdat het eerste scenario in veel praktische toepassingen voorkomt. De twee verschillende gedragingen zijn aangegeven in experimenten in water en kunnen worden verwacht met andere dipolaire en ionische vloeistoffen of oplossingen."

Mahdi Shafiei, doctoraat, ook een voormalig doctoraatsstudent aan de VCU en auteur van het artikel, zei dat de bevindingen van het team kunnen worden uitgelegd als te laten zien hoe een grafeenvel "zich gedraagt ​​​​als een spiegel voor watermoleculen."

"In ons werk we leggen voor het eerst de beeldladingen uit bij het geleiden van grafeen, Shafiei zei. "Ons werk heeft ten minste twee belangrijke effecten:het werpt licht op het gedrag van waterdruppels op grafeen ondersteund door water, en we breiden de theoretische kennis uit over het geleiden van grafeen en beeldladingen op hen."