(Phys.org) — I ricercatori di ingegneria del Rensselaer Polytechnic Institute hanno sviluppato un nuovo telo in grafene, il materiale più sottile noto alla scienza, che può migliorare le proprietà di impermeabilità dei materiali con superfici ruvide.
Questi "nanodrappi" sono spessi meno di un nanometro, chimicamente inerte, e fornire uno strato di protezione senza modificare le proprietà del materiale sottostante. Il team di ricercatori, guidato dal professor Rensselaer Nikhil Koratkar, hanno dimostrato come le goccioline d'acqua incontrino un attrito significativamente inferiore quando si muovono su una superficie coperta da un nanodrappo.
Questa innovazione ha il potenziale per avvantaggiare i dispositivi lab-on-chip, analisi ad alto rendimento, superfici autopulenti, e molte altre applicazioni che richiedono il movimento di gocce di liquido su superfici solide.
"I nanoteli di grafene sono i più sottili, la maggior parte delle tende trasparenti che possiamo immaginare. Oltre a fornire una barriera contro l'acqua, questi teli sono otticamente trasparenti e causano modifiche minime alla topologia della superficie sottostante, " disse Koratkar, il professore di ingegneria John A. Clark e Edward T. Crossan a Rensselaer. "Abbiamo scoperto che questo telo ultra trasparente impedisce la penetrazione dell'acqua nelle superfici ruvide, che ha implicazioni tecnologiche interessanti e potenzialmente importanti per molte applicazioni in micro e nanofluidica."
Le gocce d'acqua possono facilmente rimanere attaccate o "incastrate" su un materiale con una superficie ruvida nanostrutturata. Quando la goccia cade sul materiale, l'energia della caduta spinge fuori o sposta le minuscole quantità di aria intrappolate nella superficie strutturata. Una volta in questo stato bloccato, è difficile sbloccare la goccia e spostarla sulla superficie.
Coprendo la superficie con un telo impermeabile di grafene, però, impedisce a una goccia di rimanere bloccata sulla superficie. Il nanodrappo crea una barriera che impedisce alla goccia d'acqua di penetrare e spostare l'aria dalla superficie strutturata. Anziché, la goccia si trova sopra il drappo, con ridotto attrito tra loro, che a sua volta rende più facile spostare la goccia sulla superficie, disse Koratkar. Pur aiutando a ridurre al minimo questo attrito, il nanodrappo ultratrasparente provoca un'interruzione minima della superficie sottostante.
I nanoteli quadrati misurano diversi pollici di lunghezza, e una volta applicati su una superficie sono rilevabili solo con un potente microscopio. Koratkar e il team di ricerca hanno fatto cadere piccole quantità d'acqua su una superficie di nanotubi di rame, e la stessa superficie ricoperta da un nanodrappo. L'acqua caduta sulla superficie nuda si è distesa a formare grandi gocce piatte indicative di una superficie idrofila, mentre l'acqua caduta su superfici nanodrappeggiate ha formato una goccia molto più rotonda o sferica, indicativa di una superficie idrorepellente o idrofoba. I ricercatori hanno anche utilizzato telecamere ad alta velocità per osservare e misurare la forma delle gocce mentre colpivano la superficie, sparsi, contratto, e finalmente risolto. Una volta sistemato, la bagnabilità della superficie è stata caratterizzata misurando l'angolo con cui la goccia di liquido è entrata in contatto con la superficie solida.
Koratkar ha affermato che le proprietà resistenti all'acqua sono evidenti dopo l'applicazione di un singolo nanodrappo, ma le proprietà sono migliorate con l'aggiunta di alcuni strati aggiuntivi. Crepe e rughe di dimensioni nanometriche probabilmente si formano nel primo strato quando viene applicato e si deposita sulla superficie. Il secondo e i successivi strati probabilmente soffrono di meno difetti, e aiutano a coprire i difetti sul primo strato.
Koratkar e il suo team di ricerca creano i nanodrappi facendo crescere il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti come un recinto di rete metallica su nanoscala, sopra un substrato di rame. Quindi rivestono il grafene con un film polimerico, e usare acidi deboli per rimuovere o incidere il rame, che lascia lo strato polimerico con il film di grafene sottostante che galleggia sulla parte superiore degli acidi liquidi. Lo strato polimerico con foglio di grafene viene quindi trasferito su una superficie, e lo strato polimerico viene lavato via delicatamente usando acetone. Ciò che rimane è un singolo atomo di carbonio dello spessore, ultra trasparente, telo di grafene impermeabile.
Questo studio è l'ultimo di Koratkar, la cui ricerca si posiziona agli incroci tra nanotecnologie, energia, e sostenibilità. Il suo lavoro si è concentrato sulla sintesi, caratterizzazione, e applicazione di sistemi di materiali su scala nanometrica, compreso il grafene. Il suo gruppo di ricerca utilizza diverse tecniche per studiare i modi di incorporare questi materiali in vari compositi, rivestimenti, e applicazioni per dispositivi.
I risultati dello studio sono stati pubblicati all'inizio di quest'anno dalla rivista ACS Nano nel documento "Graphene Drape Minimizes the Pinning and Hysteresis of Water Drops on Nanotextured Rough Surfaces".
