Estructuras atómicas de una molécula de H2O o de O2 adsorbida en grafeno con diferentes tipos de defectos. Crédito:Xu, Z. et al. Transición reversible hidrófoba a hidrófila en grafeno a través de la división del agua inducida por irradiación UV. Sci. Reps . 4, 6450.
(Phys.org) —Los científicos han observado durante mucho tiempo que la humectabilidad del grafeno, un alótropo cristalino de carbono esencialmente bidimensional que interactúa de manera extraña con la luz y con otros materiales, se puede revertir entre estados hidrófobos e hidrófilos mediante la aplicación de rayos ultravioleta (UV). irradiación. Sin embargo, una explicación para este comportamiento sigue siendo difícil de alcanzar. Recientemente, investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur y la Universidad de Tecnología, Sydney investiga este fenómeno tanto experimentalmente como mediante cálculos utilizando la teoría funcional de la densidad (DFT), un método de modelado mecánico cuántico computacional, y encontró que la irradiación UV permite esta transición reversible y controlable en películas de grafeno que tienen defectos inducidos por adsorción por división de agua en la superficie de grafeno de H 2 O moléculas en el aire. ( División de agua es la reacción químicamente disociativa en la que el agua se separa en hidroxilo e hidrógeno; hidroxilo es un grupo funcional químico que contiene un átomo de oxígeno conectado por un enlace covalente a un átomo de hidrógeno; y adsorción es la adhesión de átomos, iones, o moléculas de un gas, líquido, o sólido disuelto en una superficie.)
Los científicos concluyen que su descubrimiento puede proporcionar nuevos conocimientos sobre los principios fundamentales de la división del agua con materiales basados en grafeno. y, por lo tanto, podría dar lugar a otras aplicaciones, incluida la electrocatálisis, nanomateriales; sistemas nanoelectromecánicos, biomateriales, dispositivos de microfluidos, sistemas orgánicos híbridos, y otros sistemas multifuncionales avanzados.
El Dr. Zhimin Ao discutió el documento que él, El estudiante de doctorado Zhemi Xu y sus coautores publicados en Informes científicos y los principales desafíos que enfrentaron los investigadores. "El principal desafío, y la motivación para realizar el estudio, fue revelar el mecanismo real de la transición de humectabilidad reversible bajo irradiación UV y aislarlo de varias razones posibles, como la contaminación de productos químicos en muestras o inducida por moléculas en el aire, "Ao dice Phys.org . "También tuvimos que identificar H 2 O en lugar de otras posibles moléculas en el aire, que contribuye a la transición de humectabilidad bajo irradiación UV ". Después de determinar la contribución de H 2 Oh él añade, Otro desafío fue comprender el tipo de adsorción de H 2 O para la transición de mojabilidad, es decir, adsorción química o física.
"En segundo lugar, "Ao continúa, "para eliminar los inconvenientes del dopaje químico y los defectos inducidos, como las moléculas orgánicas en la muestra de grafeno, que pueden ser un factor importante en la transición de la humectabilidad del grafeno bajo los rayos UV, las muestras se almacenaron durante dos horas al vacío para eliminar los contaminantes de la superficie del grafeno ". Como resultado, la mayoría de los defectos restantes del grafeno, como vacantes, bordes y límite de grano, estaría allí debido al proceso de síntesis.
"Según nuestros cálculos, sobre defectos de vacantes, borde y límite de grano, la división del agua puede ser más fácil de lograr. Sin embargo, otros defectos también pueden afectar la humectabilidad del grafeno, como el dopaje de aluminio, que ha sido informado por otro documento 1 de mi grupo ".
Las vías de reacción para la adsorción disociativa de una molécula de H2O y O2 en el grafeno. Grafeno prístino (a) y (b); grafeno con vacante de mono-átomo (c) y (d); divacancy (e) y (f); borde (g) y (h); límite de grano (i) y (j). Crédito:Xu, Z. et al. Transición reversible hidrófoba a hidrófila en grafeno a través de la división del agua inducida por irradiación UV. Sci. Reps . 4, 6450.
La técnica clave que los investigadores utilizaron para abordar estos desafíos fue combinar experimentos y cálculos de primeros principios. "En nuestro experimento, Demostramos que la humectabilidad del grafeno podría ajustarse de forma reversible mediante la irradiación UV en el aire y el almacenamiento al vacío. "Ao dice". Además, los cálculos computacionales nos permiten comprender el efecto exacto de cada factor individual ". Después de comparar sus resultados experimentales y de cálculo, Los científicos encontraron que los espectros Raman del experimento eran similares a los de H 2 O adsorción disociativa en grafeno. (En la investigación del grafeno, La espectroscopia Raman se utiliza para determinar el número y la orientación de las capas, la calidad y los tipos de filo, y los efectos de las perturbaciones, como campos eléctricos y magnéticos, cepa, y dopaje). también consideraron irradiaciones en diferentes condiciones, como en O 2 y H 2 Oh ricos ambientes, y encontré que H 2 La concentración de O afectó claramente el cambio de humectabilidad del grafeno después de la irradiación. "Por lo tanto, "Ao agrega, "llegamos a la conclusión de que H 2 La adsorción disociativa en grafeno induce la transición de humectabilidad reversible ".
La aplicación directa de este enfoque es la división del agua, un paso muy importante en, por ejemplo, generación de hidrógeno:Utilizando la técnica en este trabajo, H 2 Las moléculas de O podrían dividirse fácilmente en OH - y H + grupos y adsorbidos en grafeno inducido por defectos bajo irradiación UV. Después de la irradiación, los dos grupos se pueden desorber fácilmente del grafeno y producir hidrógeno, permitiendo que el grafeno se utilice continuamente como catalizador para la división del agua.
Ao señala que al fabricar dispositivos basados en grafeno, por ejemplo, células solares:se requiere la fabricación de materiales capa por capa. "El grafeno hidrofílico se modifica y se combina más fácilmente con otros materiales que el grafeno hidrofóbico. Por ejemplo, en el caso de biomateriales, El grafeno hidrófilo sería deseable para el contacto de biomoléculas ".
Resulta que lograr la humectabilidad reversible del grafeno se puede lograr utilizando otras técnicas, incluyendo campos eléctricos externos, tratamiento con plasma, campos magnéticos, y difracción de neutrones. "Realmente, También se informó el trabajo para lograr la humectabilidad reversible del grafeno utilizando campos eléctricos externos. 2 por mi grupo basado en cálculos de primer principio. En comparación con el uso de campos eléctricos externos, La irradiación UV se realiza fácilmente en el experimento, mientras que se requiere un campo eléctrico muy alto para realizar la transición de humectabilidad, "observando que se está llevando a cabo un experimento bajo un fuerte campo eléctrico". El plasma tiene una energía aún mayor, y puede inducir más defectos en el grafeno. Sin embargo, el proceso de tratamiento con plasma es más complicado y tiene mayores requisitos ".
Espectros Raman calculados de grafeno. (a) Con agua, y (b) con oxígeno adsorbido disociativamente. Crédito:Xu, Z. et al. Transición reversible hidrófoba a hidrófila en grafeno a través de la división del agua inducida por irradiación UV. Sci. Reps . 4, 6450.
Mirando hacia el futuro, Ao señala que necesitan aclarar aún más el mecanismo de la transición de hidrófobo a hidrófilo del grafeno bajo irradiación UV porque este último en sí mismo puede inducir defectos de grafeno. "Aunque se creía que la irradiación ultravioleta inducía defectos en el grafeno, el problema es que estos defectos no son obvios porque esta fuente de energía no es lo suficientemente fuerte. Para aclarar aún más el mecanismo de humectabilidad reversible, podemos utilizar diferentes fuentes de energía para investigar la transición, como la difracción de rayos X y neutrones ". También planean investigar el cambio de conductividad y las propiedades de transporte bajo irradiación UV.
"Siempre es deseable una película de grafeno de alta conductividad eléctrica con alta hidrofilia, "Ao dice Phys.org . "Sin embargo, estas dos propiedades normalmente se resisten entre sí. Al trabajar con dispositivos basados en grafeno, explorar la variación de la conductividad eléctrica del grafeno en tales procesos puede ayudar a controlar y equilibrar estas dos propiedades ".
Otras áreas que podrían beneficiarse de su estudio, Ao concluye, incluyen sensores y generación y almacenamiento de hidrógeno.
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