Scansione di immagini di microscopia a forza, che mostrano il rilievo di una scaglia di ossido di grafene. Le aree luminose sono "colline" e le aree scure sono "valli". L'immagine a sinistra è stata registrata a bassa umidità relativa, si può dire su una superficie asciutta. L'immagine a destra è stata registrata ad alta umidità relativa, 65 per cento. Si può vedere che nuovi punti luminosi appaiono in alcune regioni, che sono dovute all'inserimento dell'acqua. Il rilievo complessivo diventa meno piatto e più curvo con più colline mentre le valli sono preservate.
I fisici dell'Università di Umeå e dell'Università Humboldt di Berlino hanno risolto un mistero che ha lasciato perplessi gli scienziati per mezzo secolo. Mostrano con l'aiuto di potenti microscopi che la distanza tra gli strati di ossido di grafite aumenta gradualmente quando vengono aggiunte molecole d'acqua. Questo perché la superficie dell'ossido di grafite non è piatta, ma varia di spessore con "colline" e "valli" di nanodimensioni. Le nuove scoperte sono pubblicate sulla rivista scientifica Nano lettere .
"Ora possiamo comprendere meglio i meccanismi di inserimento del solvente tra gli strati di ossido di grafene. Aumenta la nostra conoscenza delle membrane ultrasottili e aiuta a progettare nuovi tipi di membrane con proprietà di permeazione che possono essere regolate con precisione aggiungendo acqua e vari altri solventi, "dice Aleksandr Talizin, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Umeå.
L'ossido di grafite è un materiale unico e utile, con molte proprietà insolite. Può facilmente dissolversi in acqua e formare singoli strati atomici di fogli di ossido di grafene. I fiocchi super sottili possono quindi essere disposti in una membrana multistrato con la capacità unica di incorporare vari solventi tra gli strati.
Già negli anni '60 tali membrane sono state testate per applicazioni di desalinizzazione e filtrazione dell'acqua di mare. Recenti studi dimostrano che le membrane all'ossido di grafene possono essere utilizzate anche per separare liquidi e gas. Film sottili di ossido di grafene possono separare miscele di gas binari con un'efficienza abbastanza elevata. Ancora più interessante, le caratteristiche di separazione possono essere regolate con precisione dai vapori d'acqua.
Le molecole d'acqua penetrano facilmente tra gli strati di ossido di grafene ed è noto da tempo che la distanza tra gli strati di ossido di grafene dipende dall'umidità. Per semplice logica, significa che la distanza tra gli strati deve cambiare in passi corrispondenti alla dimensione delle molecole d'acqua. Ciò che ha lasciato perplessi gli scienziati per mezzo secolo è che la distanza tra gli strati, misurato con metodi di diffrazione, sta gradualmente cambiando proporzionalmente al cambiamento di umidità.
"Ovviamente, non possiamo mettere in quarti di molecole o mezze molecole. Allora perché vediamo continui cambiamenti nella distanza tra gli strati di ossido di grafene? Abbiamo deciso di studiare gli strati di ossido di grafene con moderni metodi microscopici, che stranamente non era mai stato fatto prima", dice Alexandr Talizin.
Finora il puzzle era stato spiegato con un fenomeno chiamato interstratificazione - un impilamento casuale di strati con un numero diverso di strati d'acqua - e quello che viene misurato dai dati di diffrazione è stato un valore medio relativo alle diverse proporzioni tra il numero di strati con gradi diversi di idratazione.
Il nuovo studio condotto dai fisici dell'Università Humboldt di Berlino insieme al gruppo di ricerca di Alexandr Talyzin presso l'Università di Umeå fornisce una spiegazione diversa. Con microscopia ad altissima risoluzione, Microscopia a scansione di forza, i ricercatori potrebbero misurare la distanza assoluta tra due strati di ossido di grafene e registrare i cambiamenti in funzione dell'umidità.
"La distanza tra due singoli strati di ossido di grafene ovviamente è cambiata di nuovo gradualmente, ma la spiegazione di questo effetto è stata rivelata come aree di dimensioni nanometriche che non erano ugualmente riempite d'acqua. Certo, l'effetto dell'interstratificazione è stato escluso nei nostri esperimenti perché abbiamo studiato solo due strati e una sola distanza", dice Alexandr Talizin.
I risultati indicano che rappresentare l'ossido di grafene come un piano piatto non è corretto. È, piuttosto, uno strato relativamente spesso (circa due volte lo spessore del grafene) con una variazione di spessore, comprese "colline" e "valli" di diversa grandezza. L'aggiunta di molecole d'acqua aumenta lo spessore di questo strato localmente, ma non è necessario per la dimensione esatta della molecola d'acqua se alcune "valli" vengono riempite prima. Quando tutti i siti di adsorbimento d'acqua disponibili ("valli") sono pieni, un ulteriore strato d'acqua viene aggiunto in una volta. Ciò accade ad umidità molto elevata o in acqua liquida.
Informazioni sull'ossido di grafite:
Il grafene è un sottile film di carbonio, solo un atomo di spessore. È un materiale assorbente unico a causa della sua superficie estremamente ampia. Un grammo di grafene ha una superficie paragonabile a un campo da calcio. Questo spazio sarebbe ideale per l'adsorbimento di gas e liquidi in applicazioni per lo stoccaggio di gas, estrazione di impurità dall'acqua, e così via, a meno che il grafene non sia idrofobo, il che significa che la sua superficie respinge l'acqua. L'ossidazione del grafene provoca notevoli cambiamenti delle sue proprietà. L'ossido di grafene è idrofilo e attratto dall'acqua, ed è anche altamente solubile in acqua. Un materiale costituito da molti strati di ossido di grafene è chiamato ossido di grafite. Una possibile applicazione in ambito ambientale è la purificazione del suolo e dell'acqua di mare contaminati. L'ossido di grafene funziona come un filtro che separa tutti gli altri componenti nell'acqua, tranne le molecole d'acqua.
