Gotas de agua sobre una pieza de silicio y sobre silicio cubierto por una capa de grafeno muestran un cambio mínimo en el ángulo de contacto entre el agua y el material base. Investigadores de la Universidad de Rice y el Instituto Politécnico Rensselaer determinaron que cuando se aplica a la mayoría de los metales y silicio, una sola capa de grafeno es transparente al agua. (Crédito:Rahul Rao / Instituto Politécnico Rensselaer)
El grafeno es el material más delgado conocido por la ciencia. El nanomaterial es tan delgado, De hecho, el agua a menudo ni siquiera sabe que está allí.
Los investigadores de ingeniería del Instituto Politécnico de Rensselaer y la Universidad de Rice recubrieron piezas de oro, cobre, y silicio con una sola capa de grafeno, y luego colocó una gota de agua sobre las superficies recubiertas. Asombrosamente, la capa de grafeno demostró prácticamente no tener impacto en la forma en que el agua se esparce sobre las superficies.
Los resultados del estudio fueron publicados el domingo en la revista. Materiales de la naturaleza . Los hallazgos podrían ayudar a informar a una nueva generación de dispositivos electrónicos flexibles basados en grafeno. Adicionalmente, la investigación sugiere un nuevo tipo de tubería de calor que usa cobre recubierto de grafeno para enfriar chips de computadora.
El descubrimiento surgió de una colaboración interuniversitaria dirigida por el profesor Nikhil Koratkar de Rensselaer y el profesor de Rice Pulickel Ajayan.
"Cubrimos varias superficies diferentes con grafeno, y luego ponerles una gota de agua para ver qué pasaba. Lo que vimos fue una gran sorpresa:nada cambió. El grafeno era completamente transparente al agua, "dijo Koratkar, un miembro de la facultad en el Departamento de Mecánica, Aeroespacial, e Ingeniería Nuclear y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Rensselaer. "La única capa de grafeno era tan delgada que no interrumpió significativamente las fuerzas de van der Waals que no se unen y que controlan la interacción del agua con la superficie sólida. Es un descubrimiento emocionante, y es otro ejemplo de las características únicas y extraordinarias del grafeno ".
Los resultados del estudio se detallan en el Materiales de la naturaleza artículo "Transparencia humectante del grafeno". Consulte el documento en línea en:http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3228
Esencialmente una capa aislada del grafito que se encuentra comúnmente en nuestros lápices o el carbón que quemamos en nuestras barbacoas, el grafeno es una capa única de átomos de carbono dispuestos como una valla de alambre de gallinero a nanoescala. Se sabe que el grafeno tiene excelentes propiedades mecánicas. El material es fuerte y resistente y debido a su flexibilidad puede cubrir uniformemente casi cualquier superficie. Muchos investigadores y líderes tecnológicos ven el grafeno como un material habilitador que podría avanzar enormemente en la llegada de la tecnología flexible, dispositivos y pantallas delgados como el papel. Utilizado como revestimiento para tales dispositivos, el grafeno ciertamente entraría en contacto con la humedad. Comprender cómo interactúa el grafeno con la humedad fue el ímpetu detrás de este nuevo estudio.
El esparcimiento de agua sobre una superficie sólida se denomina humectación. El cálculo de la mojabilidad implica colocar una gota de agua sobre una superficie, y luego midiendo el ángulo en el que la gota se encuentra con la superficie. La gota formará una bola y tendrá un alto ángulo de contacto sobre una superficie hidrófoba. Inversamente, la gota se extenderá y tendrá un ángulo de contacto bajo sobre una superficie hidrófila.
El ángulo de contacto del oro es de unos 77 grados. Koratkar y Ajayan descubrieron que después de recubrir una superficie de oro con una sola capa de grafeno, el ángulo de contacto se convirtió en unos 78 grados. Similar, el ángulo de contacto del silicio aumentó de aproximadamente 32 grados a aproximadamente 33 grados, y el cobre aumentó de alrededor de 85 grados a alrededor de 86 grados, después de agregar una capa de grafeno.
El grafeno es el material más delgado conocido por la ciencia. El nanomaterial es tan delgado, De hecho, el agua a menudo ni siquiera sabe que está allí. Un nuevo estudio del Instituto Politécnico Rensselaer muestra cómo la extrema delgadez del grafeno permite una transparencia de humectación casi perfecta. Los hallazgos podrían ayudar a informar a una nueva generación de dispositivos electrónicos flexibles basados en grafeno. Adicionalmente, la investigación sugiere un nuevo tipo de tubería de calor que usa cobre recubierto de grafeno para enfriar chips de computadora. Crédito:Rensselaer / Koratkar
Estos resultados sorprendieron a los investigadores. El grafeno es impermeable como los pequeños espacios entre sus átomos de carbono enlazados son demasiado pequeños para el agua, o un solo protón, o cualquier otra cosa para encajar. Debido a esto, uno esperaría que el agua no actuara como si estuviera sobre oro, silicio, o cobre, ya que el revestimiento de grafeno evita que el agua entre en contacto directo con estas superficies. Pero los resultados de la investigación muestran claramente cómo el agua es capaz de detectar la presencia de la superficie subyacente. y se esparce sobre esas superficies como si el grafeno no estuviera presente en absoluto.
A medida que los investigadores aumentaron la cantidad de capas de grafeno, sin embargo, se volvió menos transparente para el agua y los ángulos de contacto aumentaron significativamente. Después de agregar seis capas de grafeno, el agua ya no vio el oro, cobre, o silicio y, en cambio, se comportó como si estuviera sentado sobre grafito.
La razón de este desconcertante comportamiento es sutil. El agua forma enlaces químicos o de hidrógeno con ciertas superficies, mientras que la atracción del agua hacia otras superficies está dictada por interacciones no vinculantes llamadas fuerzas de van der Waals. Estas fuerzas no vinculantes no son diferentes a una versión a nanoescala de la gravedad, Dijo Koratkar. Similar a cómo la gravedad dicta la interacción entre la Tierra y el sol, Las fuerzas de van der Waals dictan la interacción entre átomos y moléculas.
En el caso del oro, cobre, silicio, y otros materiales, las fuerzas de van der Waals entre la superficie y la gota de agua determinan la atracción del agua hacia la superficie y dictan cómo se esparce el agua sobre la superficie sólida. En general, estas fuerzas tienen un rango de al menos varios nanómetros. Debido al largo alcance, estas fuerzas no se ven interrumpidas por la presencia de una capa de grafeno de un solo átomo de espesor entre la superficie y el agua. En otras palabras, las fuerzas de van der Waals son capaces de "mirar a través" de recubrimientos de grafeno ultrafinos, Dijo Koratkar.
Si continúa agregando capas adicionales de grafeno, sin embargo, las fuerzas de van der Waals "ven" cada vez más el revestimiento de carbono en la parte superior del material en lugar del material de la superficie subyacente. Después de apilar seis capas de grafeno, la separación entre el grafeno y la superficie es lo suficientemente grande como para garantizar que las fuerzas de van der Waals ya no puedan sentir la presencia de la superficie subyacente y, en cambio, solo vean el revestimiento de grafeno. En superficies donde el agua forma enlaces de hidrógeno con la superficie, el efecto de transparencia humectante descrito anteriormente no se mantiene porque tales enlaces químicos no pueden formarse a través de la capa de grafeno.
Junto con la realización de experimentos físicos, los investigadores verificaron sus hallazgos con modelos de dinámica molecular y modelos teóricos clásicos.
"Descubrimos que las fuerzas de van der Waals no son interrumpidas por el grafeno. Este efecto es un artefacto de la extrema delgadez del grafeno, que tiene solo unos 0,3 nanómetros de espesor, "Dijo Koratkar." Nada puede rivalizar con la delgadez del grafeno. Debido a esto, el grafeno es el material ideal para humedecer la transparencia de los ángulos ".
"Es más, el grafeno es fuerte y flexible, y no se agrieta ni se rompe fácilmente, ", dijo." Además, es fácil recubrir una superficie con grafeno mediante deposición de vapor químico, y es relativamente sencillo depositar recubrimientos de grafeno uniformes y homogéneos en grandes áreas. Finalmente, el grafeno es químicamente inerte, lo que significa que una capa de grafeno no se oxidará. Ningún sistema de material único puede proporcionar todos los atributos anteriores que el grafeno puede ofrecer ".
Una aplicación práctica de este nuevo descubrimiento es revestir superficies de cobre utilizadas en deshumidificadores. Debido a su exposición al agua, el cobre en los sistemas deshumidificadores se oxida, lo que a su vez disminuye su capacidad para transferir calor y hace que todo el dispositivo sea menos eficiente. Recubrir el cobre con grafeno evita la oxidación, los investigadores dijeron, y el funcionamiento del dispositivo no se ve afectado porque el grafeno no cambia la forma en que el agua interactúa con el cobre. Este mismo concepto se puede aplicar para mejorar la capacidad de los tubos de calor para disipar el calor de los chips de computadora. Dijo Koratkar.
"Es una idea interesante. El grafeno no causa ningún cambio significativo en la humectabilidad del cobre, y al mismo tiempo pasiva la superficie del cobre y evita que se oxide, " él dijo.
