Representación esquemática de una gota de líquido que se mueve a través de una superficie de grafeno graduada químicamente e imágenes fijas del movimiento de la gota del agua en un gradiente de oxígeno. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) han movido gotas de líquido utilizando gradientes químicos largos formados en el grafeno. El cambio en la concentración de flúor u oxígeno formado mediante un proceso simple basado en plasma empuja o tira gotas de agua o un agente nervioso simulante a través de la superficie. Este nuevo logro ofrece aplicaciones potenciales que van desde la electrónica hasta los resonadores mecánicos y los sensores bioquímicos.
Los científicos de NRL han demostrado que es posible crear un gradiente químico en el grafeno, que empuja o tira pequeñas gotas de líquido. Los gradientes en la humectabilidad de un material se encuentran ampliamente en la naturaleza, como el famoso efecto hoja de loto o en telarañas. Los investigadores que estudian estos efectos han descubierto que, para ser útil, el gradiente debe ser especialmente suave y sin defectos que puedan enganchar la gota de agua. El efecto se ha logrado antes con grandes moléculas o polímeros, pero no con el grafeno, una capa de carbono de un solo átomo de espesor. La flexibilidad química de ese carbono permitió crear gradientes de oxígeno y flúor. La resistencia mecánica del grafeno significa que estos gradientes químicos respaldados por grafeno podrían transferirse a muchas superficies diferentes. Conjunto, estas ventajas proporcionan avances potenciales en el diseño de dispositivos para aplicaciones que van desde microfluidos hasta sensores. La investigación aparece en el 25 de junio de 2013, número de la revista ACS Nano .
Crear los gradientes químicos requiere un toque delicado. Si bien el grafeno es un material robusto, todavía tiene sólo un átomo de espesor; una reacción demasiado enérgica puede destrozarlo. La solución ideal era utilizar una tecnología de procesamiento de plasma patentada por NRL que puede producir los patrones químicos necesarios a escala de obleas cuando se combina con una máscara física. Aquí, la máscara era un dosel que colgaba sobre el grafeno, pero solo lo protegió parcialmente del plasma. Mover el dosel más alto o alargarlo crea diferentes gradientes, que son limpias y suaves sin ningún paso de procesamiento adicional.
"La belleza de este enfoque es la capacidad de producir rápidamente gradientes químicos de una escala deseada o construir matrices de múltiples gradientes sobre grandes áreas de superficie. Esta combinación es muy deseable cuando se considera la fabricación de dispositivos a gran escala, "dijo Scott Walton, jefe de la Sección de Aplicaciones de Plasma en NRL. "Una propiedad interesante del grafeno es que se puede transferir a muchos sustratos diferentes, "señala el coautor Paul Sheehan, de la División de Química de NRL. "En principio, se podría crear este gradiente químico en muchos sustratos diferentes, algo que ha sido difícil de fechar ".
Este gráfico muestra los ángulos de contacto de gotas de 1 μL de (A) agua y (B) dimetil-metilfosfonato (un agente nervioso simulante) en superficies de grafeno prístinas y químicamente modificadas. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
El equipo de investigación produjo y probó dos gradientes químicos diferentes y luego los probó usando dos líquidos, agua y dimetil-metilfosfonato (un simulador de agente nervioso). Para ambos líquidos, un gradiente de grupos funcionales de oxígeno empujó las gotas de líquido hacia una concentración creciente de oxígeno. Un gradiente de flúor hizo todo lo contrario, empujando la gota hacia la disminución de flúor. La dirección del movimiento se atribuye ampliamente a los cambios en la energía superficial en las superficies funcionalizadas.
Viendo hacia adelante, el grupo cree que los gradientes químicos podrían usarse para impulsar gotas más pequeñas y quizás incluso moléculas individuales. La capacidad de mover líquidos o adsorbentes a través de la superficie proporciona capacidades adicionales en el diseño de dispositivos para aplicaciones que van desde microfluidos hasta detección química. "Las modificaciones de la superficie bien controladas brindan la capacidad de manipular los atributos del material localmente, abordar individualmente los componentes sensoriales y transductores de un material híbrido, que ofrecen una gama de oportunidades en una variedad de aplicaciones, "dice Sandra Hernandez, el asociado de investigación postdoctoral NRC-NRL que diseñó, fabricado y caracterizó los gradientes. "Puede imaginarse que estas películas ayudan a descontaminar un edificio o ropa al empujar el agente hacia un absorbente o un catalizador que los descompone, "agrega el Dr. Sheehan." Alternativamente, podría actuar como un plato de radar para un sensor al atraer a todos los agentes en un área grande hacia un pequeño, sensor de baja potencia ".
