Des scientifiques du Naval Research Laboratory (NRL) des États-Unis ont déplacé des gouttelettes liquides à l'aide de longs gradients chimiques formés sur le graphène. Le changement de concentration de fluor ou d'oxygène formé à l'aide d'un simple processus à base de plasma pousse ou attire des gouttelettes d'eau ou d'agent neurotoxique simulant à travers la surface. Cette nouvelle réalisation offre des applications potentielles allant de l'électronique aux résonateurs mécaniques aux capteurs bio/chimiques.

Les scientifiques du LNR ont montré qu'il est possible de créer un gradient chimique sur le graphène, qui pousse ou tire de petites gouttes de liquide. Les gradients de mouillabilité d'un matériau sont largement répandus dans la nature, comme le fameux effet feuille de lotus ou dans les toiles d'araignées. Les chercheurs qui étudient ces effets ont trouvé que pour être utile, la pente doit être particulièrement douce sans défauts pouvant accrocher la goutte d'eau. L'effet a déjà été obtenu avec de grosses molécules ou des polymères, mais pas avec du graphène, une couche de carbone d'un seul atome d'épaisseur. La flexibilité chimique de ce carbone a permis de créer à la fois des gradients d'oxygène et de fluor. La résistance mécanique du graphène signifie que ces gradients chimiques soutenus par le graphène pourraient être transférés sur de nombreuses surfaces différentes. Combiné, ces avantages offrent des percées potentielles dans la conception de dispositifs pour des applications allant de la microfluidique à la détection. La recherche paraît dans le 25 juin, 2013, numéro de la revue ACS Nano .

La création des dégradés chimiques nécessite une touche délicate. Alors que le graphène est un matériau robuste, il n'a encore qu'un atome d'épaisseur - une réaction trop énergique peut le déchirer. La solution idéale consistait à utiliser une technologie de traitement au plasma brevetée par le LNR qui peut produire les motifs chimiques nécessaires à l'échelle d'une tranche lorsqu'elle est combinée à un masque physique. Ici, le masque était un dais qui pendait au-dessus du graphène, mais ne le protégeait que partiellement du plasma. Déplacer la canopée plus haut ou l'allonger crée différents gradients, qui sont propres et lisses sans aucune étape de traitement supplémentaire.

"La beauté de cette approche est la capacité de produire rapidement des gradients chimiques d'une échelle souhaitée ou de construire des réseaux de gradients multiples sur de grandes surfaces. Cette combinaison est très souhaitable lorsque l'on considère la fabrication à grande échelle de dispositifs, " a déclaré Scott Walton, chef de la section des applications plasma au NRL. "Une propriété intéressante du graphène est qu'il peut être transféré sur de nombreux substrats différents, " note le co-auteur Paul Sheehan, de la division de chimie du LNR. "En principe, on pourrait créer ce gradient chimique sur de nombreux substrats différents, quelque chose qui a été difficile à dater."

L'équipe de recherche a produit et testé deux gradients chimiques différents, puis les a testés à l'aide de deux liquides, de l'eau et du diméthyl-méthylphosphonate (un simulant d'agent neurotoxique). Pour les deux liquides, un gradient de groupes fonctionnels d'oxygène a entraîné les gouttes de liquide vers une concentration en oxygène croissante. Un gradient de fluor fait exactement le contraire, poussant la gouttelette vers le fluor décroissant. La direction du mouvement est largement attribuée aux déplacements de l'énergie de surface sur les surfaces fonctionnalisées.

Avoir hâte de, le groupe pense que les gradients chimiques pourraient être utilisés pour propulser des gouttelettes plus petites et peut-être même des molécules uniques. La capacité de déplacer des liquides ou des adsorbats à travers la surface offre des capacités supplémentaires dans la conception de dispositifs pour des applications allant de la microfluidique à la détection chimique. "Les modifications de surface bien contrôlées offrent la possibilité de manipuler les attributs du matériau localement, traiter individuellement les composants sensoriels et transducteurs d'un matériau hybride, qui offrent une gamme d'opportunités dans une variété d'applications, " dit Sandra Hernandez, l'associé de recherche postdoctoral du CNRC-LNR qui a conçu, fabriqué, et caractérisé les gradients. "Vous pouvez imaginer ces films aidant à décontaminer un bâtiment ou des vêtements en tirant l'agent vers un absorbeur ou un catalyseur qui les décompose, " ajoute le Dr Sheehan. " Alternativement, il pourrait agir comme une parabole radar pour un capteur en tirant tous les agents d'une grande zone vers une petite, capteur de faible puissance."