Imágenes de microscopía de fuerza de barrido, que muestran el relieve de una escama de óxido de grafeno. Las áreas brillantes son "colinas" y las áreas oscuras son "valles". La imagen de la izquierda se registró a baja humedad relativa, se puede decir sobre una superficie seca. La imagen de la derecha se registró con una humedad relativa alta, 65 por ciento. Se puede ver que aparecen nuevos puntos brillantes en algunas regiones, que se deben a la inserción de agua. El relieve general se vuelve menos plano y más curvo con más colinas mientras se conservan los valles.
Físicos de la Universidad de Umeå y la Universidad Humboldt de Berlín han resuelto un misterio que ha desconcertado a los científicos durante medio siglo. Muestran con la ayuda de microscopios potentes que la distancia entre las capas de óxido de grafito aumenta gradualmente cuando se agregan moléculas de agua. Eso se debe a que la superficie del óxido de grafito no es plana, pero varía en espesor con "colinas" y "valles" de tamaño nanométrico. Los nuevos hallazgos se publican en la revista científica Nano letras .
"Ahora podemos comprender mejor los mecanismos de inserción de solventes entre capas de óxido de grafeno. Incrementa nuestro conocimiento de las membranas ultrafinas y ayuda a diseñar nuevos tipos de membranas con propiedades de permeabilidad que pueden ajustarse finamente agregando agua y varios otros solventes. "dice Alexandr Talyzin, investigador del Departamento de Física de la Universidad de Umeå.
El óxido de grafito es un material único y útil, con muchas propiedades inusuales. Puede disolverse fácilmente en agua y formar capas atómicas únicas de láminas de óxido de grafeno. Las escamas superdelgadas se pueden colocar en una membrana multicapa con la capacidad única de incorporar varios disolventes entre las capas.
Ya en los años 60, estas membranas se probaron para aplicaciones de desalinización y filtración de agua de mar. Estudios recientes muestran que las membranas de óxido de grafeno también pueden usarse para separar líquidos y gases. Las películas delgadas de óxido de grafeno pueden separar mezclas de gases binarios con una eficiencia bastante alta. Aún más interesante, las características de separación se pueden ajustar finamente mediante vapores de agua.
Las moléculas de agua penetran fácilmente entre las capas de óxido de grafeno y se sabe desde hace mucho tiempo que la distancia entre las capas de óxido de grafeno depende de la humedad. Por simple lógica, significa que la distancia entre las capas va a cambiar en pasos correspondientes al tamaño de las moléculas de agua. Lo que ha desconcertado a los científicos durante medio siglo es que la distancia entre las capas, medido por métodos de difracción, está cambiando gradualmente proporcionalmente al cambio de humedad.
"Obviamente, no podemos poner cuartos de moléculas o medias moléculas. Entonces, ¿por qué vemos cambios continuos en la distancia entre las capas de óxido de grafeno? Decidimos estudiar las capas de óxido de grafeno con métodos microscópicos modernos, que curiosamente no se había hecho antes ", dice Alexandr Talyzin.
Hasta ahora, el rompecabezas se había explicado con un fenómeno llamado interestratificación, un apilamiento aleatorio de capas con diferente número de capas de agua, y lo que se mide por los datos de difracción ha sido un valor promedio relacionado con las diferentes proporciones entre el número de capas que tienen diferentes grados. de hidratación.
El nuevo estudio realizado por físicos de la Universidad Humboldt de Berlín junto con el equipo de investigación de Alexandr Talyzin en la Universidad de Umeå ofrece una explicación diferente. Con microscopía de muy alta resolución, Microscopía de fuerza de escaneo, los investigadores pudieron medir la distancia absoluta entre dos capas de óxido de grafeno y registrar cambios en función de la humedad.
"La distancia entre dos capas individuales de óxido de grafeno obviamente cambió gradualmente de nuevo, pero la explicación de este efecto se reveló como áreas de tamaño nanométrico que no estaban igualmente llenas de agua. Por supuesto, el efecto de la interestratificación fue excluido en nuestros experimentos porque solo estudiamos dos capas y una sola distancia ", dice Alexandr Talyzin.
Los resultados indican que imaginarse el óxido de grafeno como un plano no es correcto. Está, bastante, una capa relativamente gruesa (aproximadamente dos veces el grosor del grafeno) con una variación de grosor, incluyendo "colinas" y "valles" de diferente tamaño. La adición de moléculas de agua aumenta el grosor de esta capa localmente, pero no es necesario por el tamaño exacto de la molécula de agua si algunos "valles" se llenan primero. Cuando se llenan todos los sitios de adsorción de agua disponibles ("valles"), se agrega una capa de agua adicional de una vez. Esto ocurre con una humedad muy alta o en agua líquida.
Acerca del óxido de grafito:
El grafeno es una fina película de carbono, sólo un átomo de espesor. Es un material adsorbente único debido a su superficie extremadamente grande. Un gramo de grafeno tiene una superficie comparable a un campo de fútbol. Este espacio sería ideal para la adsorción de gases y líquidos en aplicaciones de almacenamiento de gases, extracción de impurezas del agua, etcétera, a menos que el grafeno sea hidrofóbico, lo que significa que su superficie repele el agua. La oxidación del grafeno provoca cambios notables en sus propiedades. El óxido de grafeno es hidrófilo y atraído por el agua, e incluso es muy soluble en agua. Un material que consta de muchas capas de óxido de grafeno se llama óxido de grafito. Una posible aplicación en el ámbito medioambiental es la depuración de suelos y agua de mar contaminados. El óxido de grafeno funciona como un filtro que separa todos los demás componentes del agua, excepto las moléculas de agua.
