Gocce d'acqua su un pezzo di silicio e su silicio ricoperto da uno strato di grafene mostrano una variazione minima nell'angolo di contatto tra l'acqua e il materiale di base. I ricercatori della Rice University e del Rensselaer Polytechnic Institute hanno stabilito che quando applicato alla maggior parte dei metalli e del silicio, un singolo strato di grafene è trasparente all'acqua. (Credito:Rahul Rao/Istituto Politecnico Rensselaer)
Il grafene è il materiale più sottile conosciuto dalla scienza. Il nanomateriale è così sottile, infatti, l'acqua spesso non sa nemmeno che c'è.
I ricercatori di ingegneria del Rensselaer Polytechnic Institute e della Rice University hanno rivestito pezzi d'oro, rame, e silicio con un singolo strato di grafene, e poi ha messo una goccia d'acqua sulle superfici rivestite. Sorprendentemente, lo strato di grafene ha dimostrato di non avere praticamente alcun impatto sul modo in cui l'acqua si diffonde sulle superfici.
I risultati dello studio sono stati pubblicati domenica sulla rivista Materiali della natura . I risultati potrebbero aiutare a informare una nuova generazione di dispositivi elettronici flessibili basati sul grafene. Inoltre, la ricerca suggerisce un nuovo tipo di tubo di calore che utilizza rame rivestito di grafene per raffreddare i chip dei computer.
La scoperta è nata da una collaborazione interuniversitaria guidata dal professor Nikhil Koratkar di Rensselaer e dal professore di riso Pulickel Ajayan.
"Abbiamo rivestito diverse superfici con grafene, e poi mettere una goccia d'acqua su di loro per vedere cosa sarebbe successo. Quello che abbiamo visto è stata una grande sorpresa:nulla è cambiato. Il grafene era completamente trasparente all'acqua, " disse Koratkar, un docente del Dipartimento di Meccanica, Aerospaziale, e ingegneria nucleare e il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali a Rensselaer. "Il singolo strato di grafene era così sottile che non ha interrotto in modo significativo le forze di van der Waals non leganti che controllano l'interazione dell'acqua con la superficie solida. È una scoperta entusiasmante, ed è un altro esempio delle caratteristiche uniche e straordinarie del grafene."
I risultati dello studio sono dettagliati nel Materiali della natura carta "Trasparenza bagnante del grafene". Vedi il documento online su:http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3228
Essenzialmente uno strato isolato della grafite che si trova comunemente nelle nostre matite o del carbone che bruciamo sui nostri barbecue, il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti come un recinto di rete metallica su nanoscala. Il grafene è noto per avere eccellenti proprietà meccaniche. Il materiale è forte e resistente e grazie alla sua flessibilità può rivestire uniformemente quasi tutte le superfici. Molti ricercatori e leader tecnologici vedono il grafene come un materiale abilitante che potrebbe far avanzare notevolmente l'avvento di prodotti flessibili, dispositivi e display sottili come la carta. Utilizzato come rivestimento per tali dispositivi, il grafene verrebbe sicuramente a contatto con l'umidità. Capire come il grafene interagisce con l'umidità è stato l'impulso alla base di questo nuovo studio.
La diffusione dell'acqua su una superficie solida è chiamata bagnatura. Il calcolo della bagnabilità implica il posizionamento di una goccia d'acqua su una superficie, e quindi misurare l'angolo con cui la goccia incontra la superficie. La goccia si appallottola e ha un angolo di contatto elevato su una superficie idrofoba. Inversamente, la gocciolina si allargherà e avrà un basso angolo di contatto su una superficie idrofila.
L'angolo di contatto dell'oro è di circa 77 gradi. Koratkar e Ajayan hanno scoperto che dopo aver rivestito una superficie d'oro con un singolo strato di grafene, l'angolo di contatto è diventato di circa 78 gradi. Allo stesso modo, l'angolo di contatto del silicio è passato da circa 32 gradi a circa 33 gradi, e il rame è aumentato da circa 85 gradi a circa 86 gradi, dopo aver aggiunto uno strato di grafene.
Il grafene è il materiale più sottile conosciuto dalla scienza. Il nanomateriale è così sottile, infatti, l'acqua spesso non sa nemmeno che c'è. Un nuovo studio del Rensselaer Polytechnic Institute mostra come l'estrema sottigliezza del grafene consenta una trasparenza di bagnatura quasi perfetta. I risultati potrebbero aiutare a informare una nuova generazione di dispositivi elettronici flessibili basati sul grafene. Inoltre, la ricerca suggerisce un nuovo tipo di tubo di calore che utilizza rame rivestito di grafene per raffreddare i chip dei computer. Attestazione:Rensselaer/Koratkar
Questi risultati hanno sorpreso i ricercatori. Il grafene è impermeabile, poiché i minuscoli spazi tra i suoi atomi di carbonio collegati sono troppo piccoli per l'acqua, o un singolo protone, o qualsiasi altra cosa per adattarsi. A causa di ciò, ci si aspetterebbe che l'acqua non si comporti come se fosse sull'oro, silicio, o rame, poiché il rivestimento in grafene impedisce all'acqua di entrare direttamente in contatto con queste superfici. Ma i risultati della ricerca mostrano chiaramente come l'acqua sia in grado di percepire la presenza della superficie sottostante, e si diffonde su quelle superfici come se il grafene non fosse affatto presente.
Poiché i ricercatori hanno aumentato il numero di strati di grafene, però, è diventato meno trasparente all'acqua e gli angoli di contatto sono aumentati in modo significativo. Dopo aver aggiunto sei strati di grafene, l'acqua non vide più l'oro, rame, o silicio e invece si comportava come se fosse seduto sulla grafite.
La ragione di questo comportamento sconcertante è sottile. L'acqua forma legami chimici o idrogeno con determinate superfici, mentre l'attrazione dell'acqua su altre superfici è dettata da interazioni di non legame chiamate forze di van der Waals. Queste forze di non legame non sono dissimili da una versione su scala nanometrica della gravità, disse Koratkar. Simile a come la gravità determina l'interazione tra la Terra e il sole, Le forze di van der Waals dettano l'interazione tra atomi e molecole.
Nel caso dell'oro, rame, silicio, e altri materiali, le forze di van der Waals tra la superficie e la goccia d'acqua determinano l'attrazione dell'acqua sulla superficie e determinano il modo in cui l'acqua si diffonde sulla superficie solida. Generalmente, queste forze hanno un raggio di almeno diversi nanometri. A causa del lungo raggio, queste forze non sono interrotte dalla presenza di uno strato di grafene dello spessore di un singolo atomo tra la superficie e l'acqua. In altre parole, le forze di van der Waals sono in grado di "guardare attraverso" i rivestimenti ultrasottili di grafene, disse Koratkar.
Se continui ad aggiungere ulteriori strati di grafene, però, le forze di van der Waals "vedono" sempre più il rivestimento di carbonio sulla parte superiore del materiale invece del materiale superficiale sottostante. Dopo aver impilato sei strati di grafene, la separazione tra il grafene e la superficie è sufficientemente ampia da garantire che le forze di van der Waals non possano più percepire la presenza della superficie sottostante e vedere invece solo il rivestimento di grafene. Sulle superfici in cui l'acqua forma legami idrogeno con la superficie, l'effetto di trasparenza bagnante sopra descritto non regge perché tali legami chimici non possono formarsi attraverso lo strato di grafene.
Oltre a condurre esperimenti fisici, i ricercatori hanno verificato le loro scoperte con modelli di dinamica molecolare e modelli teorici classici.
"Abbiamo scoperto che le forze di van der Waals non sono interrotte dal grafene. Questo effetto è un artefatto dell'estrema sottigliezza del grafene, che ha uno spessore di soli 0,3 nanometri, " ha detto Koratkar. "Niente può rivaleggiare con la magrezza del grafene. A causa di ciò, il grafene è il materiale ideale per la trasparenza dell'angolo di bagnatura."
"Inoltre, il grafene è forte e flessibile, e non si spezza o si rompe facilmente, " ha detto. "Inoltre, è facile rivestire una superficie con grafene utilizzando la deposizione chimica da vapore, ed è relativamente semplice depositare rivestimenti di grafene uniformi e omogenei su ampie aree. Finalmente, il grafene è chimicamente inerte, il che significa che un rivestimento in grafene non si ossida. Nessun singolo sistema materiale può fornire tutti gli attributi di cui sopra che il grafene è in grado di offrire".
Un'applicazione pratica di questa nuova scoperta è il rivestimento di superfici in rame utilizzate nei deumidificatori. A causa della sua esposizione all'acqua, il rame nei sistemi di deumidificazione si ossida, che a sua volta diminuisce la sua capacità di trasferire calore e rende l'intero dispositivo meno efficiente. Rivestire il rame con grafene previene l'ossidazione, i ricercatori hanno detto, e il funzionamento del dispositivo non è influenzato perché il grafene non cambia il modo in cui l'acqua interagisce con il rame. Questo stesso concetto può essere applicato per migliorare la capacità dei tubi di calore di dissipare il calore dai chip dei computer, disse Koratkar.
"È un'idea interessante. Il grafene non provoca alcun cambiamento significativo alla bagnabilità del rame, e allo stesso tempo passiva la superficie del rame e ne impedisce l'ossidazione, " Egli ha detto.
