Des gouttes d'eau sur un morceau de silicium et sur du silicium recouvert d'une couche de graphène montrent un changement minime de l'angle de contact entre l'eau et le matériau de base. Des chercheurs de l'Université Rice et de l'Institut polytechnique Rensselaer ont déterminé que lorsqu'il est appliqué à la plupart des métaux et du silicium, une seule couche de graphène est transparente à l'eau. (Crédit :Rahul Rao/Institut polytechnique Rensselaer)
Le graphène est le matériau le plus fin connu de la science. Le nanomatériau est si fin, En réalité, l'eau ne sait souvent même pas qu'elle est là.
Des chercheurs en ingénierie de l'Institut polytechnique Rensselaer et de l'Université Rice ont recouvert des pièces d'or, le cuivre, et du silicium avec une seule couche de graphène, puis déposé une goutte d'eau sur les surfaces revêtues. Étonnamment, la couche de graphène s'est avérée n'avoir pratiquement aucun impact sur la manière dont l'eau se répand sur les surfaces.
Les résultats de l'étude ont été publiés dimanche dans la revue Matériaux naturels . Les résultats pourraient aider à informer une nouvelle génération de dispositifs électroniques flexibles à base de graphène. En outre, la recherche suggère un nouveau type de caloduc qui utilise du cuivre revêtu de graphène pour refroidir les puces informatiques.
La découverte découle d'une collaboration interuniversitaire dirigée par le professeur Rensselaer Nikhil Koratkar et le professeur Rice Pulickel Ajayan.
"Nous avons enduit plusieurs surfaces différentes avec du graphène, puis mettez une goutte d'eau dessus pour voir ce qui se passerait. Ce que nous avons vu était une grande surprise, rien n'a changé. Le graphène était complètement transparent à l'eau, " dit Koratkar, un membre du corps professoral du Département de mécanique, Aérospatial, et Ingénierie nucléaire et le Département de science et d'ingénierie des matériaux à Rensselaer. "La couche unique de graphène était si fine qu'elle n'a pas perturbé de manière significative les forces de van der Waals non liantes qui contrôlent l'interaction de l'eau avec la surface solide. C'est une découverte passionnante, et est un autre exemple des caractéristiques uniques et extraordinaires du graphène."
Les résultats de l'étude sont détaillés dans le Matériaux naturels papier "Mouillage de la transparence du graphène." Voir le document en ligne sur :http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3228
Essentiellement une couche isolée du graphite que l'on trouve couramment dans nos crayons ou le charbon de bois que nous brûlons sur nos barbecues, Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone disposés comme une clôture en grillage à l'échelle nanométrique. Le graphène est connu pour avoir d'excellentes propriétés mécaniques. Le matériau est solide et résistant et, en raison de sa flexibilité, peut recouvrir uniformément presque toutes les surfaces. De nombreux chercheurs et leaders technologiques considèrent le graphène comme un matériau habilitant qui pourrait grandement faire progresser l'avènement des technologies flexibles, appareils et écrans fins comme du papier. Utilisé comme revêtement pour de tels appareils, le graphène entrerait certainement en contact avec l'humidité. Comprendre comment le graphène interagit avec l'humidité a été l'impulsion derrière cette nouvelle étude.
L'étalement de l'eau sur une surface solide est appelé mouillage. Le calcul de la mouillabilité consiste à déposer une goutte d'eau sur une surface, puis mesurer l'angle auquel la gouttelette rencontre la surface. La gouttelette se formera en boule et aura un angle de contact élevé sur une surface hydrophobe. Inversement, la gouttelette s'étalera et aura un faible angle de contact sur une surface hydrophile.
L'angle de contact de l'or est d'environ 77 degrés. Koratkar et Ajayan ont découvert qu'après avoir recouvert une surface d'or d'une seule couche de graphène, l'angle de contact est devenu d'environ 78 degrés. De la même manière, l'angle de contact du silicium est passé d'environ 32 degrés à environ 33 degrés, et le cuivre est passé d'environ 85 degrés à environ 86 degrés, après avoir ajouté une couche de graphène.
Le graphène est le matériau le plus fin connu de la science. Le nanomatériau est si fin, En réalité, l'eau ne sait souvent même pas qu'elle est là. Une nouvelle étude du Rensselaer Polytechnic Institute montre comment l'extrême finesse du graphène permet une transparence de mouillage presque parfaite. Les résultats pourraient aider à informer une nouvelle génération de dispositifs électroniques flexibles à base de graphène. En outre, la recherche suggère un nouveau type de caloduc qui utilise du cuivre revêtu de graphène pour refroidir les puces informatiques. Crédit :Rensselaer/Koratkar
Ces résultats ont surpris les chercheurs. Le graphène est imperméable, comme les minuscules espaces entre ses atomes de carbone liés sont trop petits pour l'eau, ou un seul proton, ou quoi que ce soit d'autre à traverser. À cause de ce, on s'attendrait à ce que l'eau n'agisse pas comme si elle était sur l'or, silicium, ou cuivre, puisque le revêtement de graphène empêche l'eau d'entrer directement en contact avec ces surfaces. Mais les résultats de la recherche montrent clairement comment l'eau est capable de détecter la présence de la surface sous-jacente, et se propage sur ces surfaces comme si le graphène n'était pas présent du tout.
Alors que les chercheurs augmentaient le nombre de couches de graphène, cependant, il est devenu moins transparent à l'eau et les angles de contact ont considérablement augmenté. Après avoir ajouté six couches de graphène, l'eau ne voyait plus l'or, le cuivre, ou du silicium et s'est plutôt comporté comme s'il était assis sur du graphite.
La raison de ce comportement déroutant est subtile. L'eau forme des liaisons chimiques ou hydrogène avec certaines surfaces, tandis que l'attraction de l'eau vers d'autres surfaces est dictée par des interactions sans liaison appelées forces de van der Waals. Ces forces de non-liaison ne sont pas sans rappeler une version nanométrique de la gravité, dit Koratkar. Semblable à la façon dont la gravité dicte l'interaction entre la Terre et le soleil, Les forces de van der Waals dictent l'interaction entre les atomes et les molécules.
Dans le cas de l'or, le cuivre, silicium, et d'autres matériaux, les forces de van der Waals entre la surface et les gouttelettes d'eau déterminent l'attraction de l'eau vers la surface et dictent la façon dont l'eau se répand sur la surface solide. En général, ces forces ont une portée d'au moins plusieurs nanomètres. En raison de la longue portée, ces forces ne sont pas perturbées par la présence d'une couche de graphène d'une épaisseur d'un seul atome entre la surface et l'eau. En d'autres termes, les forces de van der Waals sont capables de « regarder à travers » des revêtements de graphène ultra-minces, dit Koratkar.
Si vous continuez à ajouter des couches supplémentaires de graphène, cependant, les forces de van der Waals « voient » de plus en plus le revêtement de carbone sur le matériau au lieu du matériau de surface sous-jacent. Après avoir empilé six couches de graphène, la séparation entre le graphène et la surface est suffisamment grande pour garantir que les forces de van der Waals ne peuvent désormais plus détecter la présence de la surface sous-jacente et ne voient à la place que le revêtement de graphène. Sur les surfaces où l'eau forme des liaisons hydrogène avec la surface, l'effet de transparence mouillant décrit ci-dessus ne tient pas car de telles liaisons chimiques ne peuvent pas se former à travers la couche de graphène.
Parallèlement à la réalisation d'expériences physiques, les chercheurs ont vérifié leurs résultats avec la modélisation de la dynamique moléculaire ainsi que la modélisation théorique classique.
"Nous avons constaté que les forces de van der Waals ne sont pas perturbées par le graphène. Cet effet est un artefact de l'extrême finesse du graphène, qui n'a qu'environ 0,3 nanomètre d'épaisseur, " a déclaré Koratkar. "Rien ne peut rivaliser avec la finesse du graphène. À cause de ce, Le graphène est le matériau idéal pour mouiller la transparence des angles."
"De plus, le graphène est fort et flexible, et il ne se fissure pas ou ne se brise pas facilement, " dit-il. " De plus, il est facile de revêtir une surface de graphène par dépôt chimique en phase vapeur, et il est relativement simple de déposer des revêtements de graphène uniformes et homogènes sur de grandes surfaces. Finalement, le graphène est chimiquement inerte, ce qui signifie qu'un revêtement de graphène ne s'oxydera pas. Aucun système de matériau unique ne peut fournir tous les attributs ci-dessus que le graphène est capable d'offrir."
Une application pratique de cette nouvelle découverte est de revêtir les surfaces de cuivre utilisées dans les déshumidificateurs. En raison de son exposition à l'eau, le cuivre dans les systèmes de déshumidification s'oxyde, ce qui à son tour diminue sa capacité à transférer la chaleur et rend l'ensemble de l'appareil moins efficace. Le revêtement du cuivre avec du graphène empêche l'oxydation, les chercheurs ont dit, et le fonctionnement de l'appareil n'est pas affecté car le graphène ne modifie pas la façon dont l'eau interagit avec le cuivre. Ce même concept peut être appliqué pour améliorer la capacité des caloducs à dissiper la chaleur des puces informatiques, dit Koratkar.
"C'est une idée intéressante. Le graphène ne modifie pas significativement la mouillabilité du cuivre, et en même temps il passive la surface du cuivre et l'empêche de s'oxyder, " il a dit.
