Uno studio pubblicato di recente condotto dai ricercatori della Virginia Commonwealth University getta nuova luce su come l'acqua interagisce con il nanomateriale grafene, una sola, sottile strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale a nido d'ape.

I risultati dei ricercatori potrebbero avere implicazioni per una varietà di applicazioni, compresi i sensori, membrane delle celle a combustibile, filtrazione dell'acqua, e materiali per elettrodi a base di grafene in supercondensatori ad alte prestazioni.

Lo studio, "Correlazioni solvente-solvente attraverso il grafene:l'effetto delle cariche di immagine, " è stato pubblicato sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano ed è stato guidato da Neda Ojaghlou, dottorato di ricerca, che ha condotto la ricerca come dottorando presso il Dipartimento di Chimica della Facoltà di Lettere e Filosofia.

Il progetto ha affrontato un'importante area di studio per la medicina, industria e scienza:capire come i liquidi, principalmente l'acqua, interagiscono con le superfici. Queste interazioni sono misurate in diversi modi, ma soprattutto monitorando "la bagnatura, " dedotto dalla forma di una goccia su una superficie. Se una goccia è piatta, la superficie è considerata "idrofila, " come un bicchiere bagnato. Se la goccia somiglia a una sfera, è "idrofobico, "come una goccia su una padella calda.

"Una superficie estremamente importante per studiare la bagnatura è un foglio di grafene. Il grafene è uno dei nanomateriali più importanti, " Ojaghlou ha detto. "La sua chimica, le proprietà elettriche e meccaniche sono alla base di un'ampia gamma di applicazioni, dai telefoni cellulari alla produzione di racchette da tennis, e dai dispositivi elettronici alla produzione di automobili. La bagnatura del grafene è importante anche nelle superfici biologiche e nella progettazione di supercondensatori".

In questo studio, i ricercatori hanno studiato la propensione potenziata del grafene a bagnarsi se c'è acqua sull'altro lato del foglio. Hanno usato simulazioni al computer avanzate per studiare questo effetto a livello molecolare.

"Migliorando il modello del grafene, abbiamo mostrato per la prima volta come la conduttività del grafene porta alla trasparenza della bagnatura. Per conduttività si intende lo spostamento delle cariche elettriche degli atomi di carbonio per rispondere alla presenza di momenti di dipolo elettrico dell'acqua. Queste fluttuazioni elettriche sugli atomi di carbonio, che sono estremamente difficili da simulare, modulare l'interazione delle molecole d'acqua sui due lati del foglio, " disse Ojaghlou. "In breve, abbiamo preso in considerazione la conducibilità del grafene, e questo fornisce una spiegazione molto migliore della bagnatura del grafene quando c'è acqua dall'altra parte".

Dusan Bratko, dottorato di ricerca, professore al Dipartimento di Chimica e autore dell'articolo, ha detto che i risultati sono una scoperta importante.

"A contatto con l'acqua, il grafene interferisce con i legami idrogeno tra le molecole d'acqua, sostituendoli con un'attrazione di dispersione più debole agli atomi di carbonio. Ciò nonostante, il grafene puro risulta essere debolmente idrofilo. Ciò è in parte spiegato dalla conduttività del grafene, che aggiunge un interessante meccanismo di attrazione tra dipoli acquosi e cariche transitorie indotte su atomi di carbonio, " ha detto Bratko.

"Una caratteristica precedentemente sconosciuta svelata dall'approccio computazionale del team è la sinergia degli effetti di induzione quando l'acqua è presente su entrambi i lati di un foglio di grafene, " ha detto. "In questa nuova immagine, il grafene svolge un ruolo attivo nella comunicazione tra gli strati di idratazione opposti. Di conseguenza, il grafene è notevolmente più facile da bagnare da entrambi i lati che da un solo lato. Questo è importante poiché il primo scenario si verifica in molte applicazioni pratiche. I due comportamenti distinti sono stati indicati in esperimenti in acqua e ci si può aspettare con altri liquidi o soluzioni dipolari e ionici".

Mahdi Shafiei, dottorato di ricerca, anche un ex studente di dottorato alla VCU e autore dell'articolo, ha affermato che i risultati del team potrebbero essere spiegati come la dimostrazione di come un foglio di grafene "si comporta come uno specchio per le molecole d'acqua".

"Nel nostro lavoro, spieghiamo per la prima volta le accuse di immagine sulla conduzione del grafene, " Ha detto Shafiei. "Il nostro lavoro ha almeno due impatti significativi:mette in luce il comportamento delle gocce d'acqua sul grafene supportato dall'acqua, ed espandiamo le conoscenze teoriche sulla conduzione del grafene e delle cariche di immagine su di essi".