石墨烯不可见于水
2019/08/20
在用单层石墨烯涂覆之后,水与包括铜,金和硅在内的材料相互作用的方式几乎没有变化。 尽管石墨烯非常薄,但这些结果仍然令人惊讶,因为它是不可渗透的。 利用这种能力,石墨烯可用于保护材料免受氧化,而不会影响它们与水的相互作用。
新闻来源 Scitech Daily
伦斯勒理工学院和莱斯大学的工程师们了解石墨烯的极薄度如何实现近乎完美的润湿透明度
石墨烯是科学上最薄的材料。 事实上,纳米材料很薄,水通常甚至都不知道它在那里。
伦斯勒理工学院和莱斯大学的工程研究人员用单层石墨烯涂覆金,铜和硅片,然后在涂层表面上滴一滴水。 令人惊讶的是,石墨烯层证明对水在表面上的扩散方式几乎没有影响。
该研究的结果发表在周日的“自然材料”杂志上。 这些发现有助于为新一代基于石墨烯的柔性电子设备提供信息。 此外,该研究还提出了一种新型热管,它使用涂有石墨烯的铜来冷却计算机芯片。
这一发现源于伦斯勒教授Nikhil Koratkar和Rice教授Pulickel Ajayan领导的跨大学合作。
“我们用石墨烯涂覆了几个不同的表面,然后在它们上面放一滴水,看看会发生什么。 我们所看到的是一个巨大的惊喜 - 没有任何改变。 石墨烯对水完全透明,“Rratselaer机械,航空航天和核工程系以及材料科学与工程系的教授Koratkar说。 “单层石墨烯非常薄,不会显着破坏控制水与固体表面相互作用的非键合范德华力。 这是一个令人兴奋的发现,也是石墨烯独特和非凡特征的另一个例子。“
该研究的结果在Nature Materials论文“石墨烯的润湿透明度”中有详细描述。参见Nature Materials在线的论文。
基本上是我们的铅笔中常见的石墨隔离层或我们烧烤的木炭,石墨烯是单层碳原子,排列成纳米级鸡丝栅栏。 已知石墨烯具有优异的机械性能。 材料坚固而坚韧,由于其柔韧性,几乎可以均匀涂覆任何表面。 许多研究人员和技术领导者将石墨烯视为一种有利的材料,可以极大地推动灵活的薄纸设备和显示器的出现。 用作这种装置的涂层,石墨烯肯定会与水分接触。 了解石墨烯如何与水分相互作用是这项新研究背后的推动力。
水在固体表面上的扩散称为润湿。 计算润湿性包括在表面上放置一滴水,然后测量液滴与表面相遇的角度。 液滴将向上球并在疏水表面上具有高接触角。 相反,液滴将散开并在亲水表面上具有低接触角。
金的接触角约为77度。 Koratkar和Ajayan发现,在用单层石墨烯涂覆金表面后,接触角变为约78度。 类似地,在添加一层石墨烯之后,硅的接触角从大约32度上升到大约33度,并且铜从大约85度增加到大约86度。
这些结果令研究人员惊讶。 石墨烯是不可渗透的,因为它连接的碳原子之间的微小空间对于水来说太小,或者单个质子或其他任何东西都不能穿过。 因此,可以预期水不会像金,硅或铜那样起作用,因为石墨烯涂层会阻止水直接接触这些表面。 但是研究结果清楚地表明水是如何能够感知下面的表面的存在,并且在那些表面上扩散,好像石墨烯根本不存在。
然而,随着研究人员增加石墨烯的层数,它对水的透明度降低,接触角显着增加。 在添加六层石墨烯之后,水不再看到金,铜或硅,而是表现得好像它坐在石墨上。
这种令人困惑的行为的原因是微妙的。 水与某些表面形成化学或氢键,而水对其他表面的吸引力则由称为范德华力的非键合相互作用决定。 Koratkar说,这些非键合力与纳米级重力不同。 类似于引力决定地球与太阳之间的相互作用,范德瓦尔斯力决定了原子与分子之间的相互作用。
在金,铜,硅和其他材料的情况下,表面和水滴之间的范德瓦尔斯力决定了水对表面的吸引力并决定了水如何在固体表面上扩散。 通常,这些力具有至少几纳米的范围。 由于长距离,这些力不会因表面和水之间存在单原子厚的石墨烯层而中断。 换句话说,范德瓦尔斯能够“透视”超薄石墨烯涂层,Koratkar说。
然而,如果继续添加额外的石墨烯层,范德华力会逐渐“看到”材料顶部的碳涂层而不是下面的表面材料。 在堆叠六层石墨烯之后,石墨烯和表面之间的分离足够大以确保范德瓦尔斯力现在不再能够感测下面的表面的存在,而是仅看到石墨烯涂层。 在水与表面形成氢键的表面上,上述润湿透明效果不成立,因为这种化学键不能通过石墨烯层形成。
除了进行物理实验外,研究人员还通过分子动力学建模和经典理论建模验证了他们的发现。
“我们发现范德华力不受石墨烯的破坏。 这种效应是石墨烯极薄的一种伪影 - 只有约0.3纳米厚,“Koratkar说。 “没有什么能比得上石墨烯的薄。 因此,石墨烯是润湿角度透明度的理想材料。“
“此外,石墨烯坚固而有弹性,不易破裂或破裂,”他说。 “此外,使用化学气相沉积很容易用石墨烯涂覆表面,并且在大面积上沉积均匀且均匀的石墨烯涂层相对简单。 最后,石墨烯是化学惰性的,这意味着石墨烯涂层不会被氧化掉。 没有一种材料系统能够提供石墨烯能够提供的所有上述属性。“
这一新发现的实际应用是涂覆除湿机中使用的铜表面。 由于其暴露于水,除湿系统中的铜会氧化,从而降低其传热能力并使整个装置效率降低。 研究人员表示,用石墨烯涂覆铜会防止氧化,并且器件的操作不会受到影响,因为石墨烯不会改变水与铜相互作用的方式。 Koratkar表示,同样的概念可用于提高热管散发计算机芯片热量的能力。
“这是一个有趣的想法。 石墨烯不会对铜的润湿性产生任何显着变化,同时它会钝化铜表面并防止其氧化,“他说。
与Koratkar和Ajayan一起,该论文的共同作者是Runsselaer材料科学与工程系助理教授Yunfeng Shi; 伦斯勒机械工程研究生Javad Rafiee,Abhay Thomas和Fazel Yavari; 伦斯勒物理研究生席米; 和莱斯机械和材料工程研究生Hemtej Gullapalli。
该研究得到了先进能源联盟(AEC)的部分支持; 国家科学基金会(NSF); 和海军研究办公室(ONR)石墨烯多学科大学研究计划(MURI)。