Images de microscopie à force de balayage, qui montrent le relief d'un flocon d'oxyde de graphène. Les zones claires sont des "collines" et les zones sombres sont des "vallées". L'image de gauche a été enregistrée à faible humidité relative, on peut dire sur une surface sèche. L'image de droite a été enregistrée à une humidité relative élevée, 65 pour cent. On peut voir que de nouveaux points lumineux apparaissent dans certaines régions, qui sont dus à l'insertion d'eau. Le relief global devient moins plat et plus courbe avec plus de collines tandis que les vallées sont préservées.
Des physiciens de l'université d'Umeå et de l'université Humboldt de Berlin ont résolu un mystère qui intrigue les scientifiques depuis un demi-siècle. Ils montrent à l'aide de microscopes puissants que la distance entre les couches d'oxyde de graphite augmente progressivement lorsque des molécules d'eau sont ajoutées. C'est parce que la surface de l'oxyde de graphite n'est pas plate, mais varie en épaisseur avec des "collines" et des "vallées" de taille nanométrique. Les nouvelles découvertes sont publiées dans la revue scientifique Lettres nano .
"Maintenant, nous pouvons mieux comprendre les mécanismes d'insertion de solvant entre les couches d'oxyde de graphène. Cela augmente notre connaissance des membranes ultrafines et aide à concevoir de nouveaux types de membranes avec des propriétés de perméation qui peuvent être finement ajustées en ajoutant de l'eau et divers autres solvants, ", dit Alexandr Talyzin, chercheur au Département de physique de l'Université d'Umeå.
L'oxyde de graphite est un matériau unique et utile, avec de nombreuses propriétés inhabituelles. Il peut facilement se dissoudre dans l'eau et former des couches atomiques uniques de feuilles d'oxyde de graphène. Les flocons super minces peuvent ensuite être disposés dans une membrane multicouche avec la capacité unique d'incorporer divers solvants entre les couches.
Déjà dans les années 60, de telles membranes étaient testées pour des applications de dessalement et de filtration d'eau de mer. Des études récentes montrent que les membranes d'oxyde de graphène peuvent également être utilisées pour séparer les liquides et les gaz. Les films minces d'oxyde de graphène peuvent séparer des mélanges de gaz binaires avec une efficacité assez élevée. Encore plus intéressant, les caractéristiques de séparation peuvent être finement ajustées par les vapeurs d'eau.
Les molécules d'eau pénètrent facilement entre les couches d'oxyde de graphène et on sait depuis longtemps que la distance entre les couches d'oxyde de graphène dépend de l'humidité. Par simple logique, cela signifie que la distance entre les couches doit changer par pas correspondant à la taille des molécules d'eau. Ce qui intrigue les scientifiques depuis un demi-siècle, c'est que la distance entre les couches, mesurée par des méthodes de diffraction, évolue progressivement proportionnellement au changement d'humidité.
"Évidemment, on ne peut pas mettre un quart de molécules ou des demi-molécules. Alors pourquoi voyons-nous des changements continus dans la distance entre les couches d'oxyde de graphène ? Nous avons décidé d'étudier les couches d'oxyde de graphène avec des méthodes microscopiques modernes, ce qui, curieusement, n'avait pas été fait auparavant", dit Alexandr Talyzin.
Jusqu'à présent, le puzzle avait été expliqué avec un phénomène appelé interstratification - un empilement aléatoire de couches avec un nombre différent de couches d'eau - et ce qui est mesuré par les données de diffraction a été une valeur moyenne liée aux différentes proportions entre le nombre de couches ayant des degrés différents d'hydratation.
La nouvelle étude menée par des physiciens de l'Université Humboldt de Berlin avec l'équipe de recherche d'Alexandr Talyzin à l'Université d'Umeå fournit une explication différente. Avec microscopie de très haute résolution, Microscopie à force de balayage, les chercheurs ont pu mesurer la distance absolue entre deux couches d'oxyde de graphène et enregistrer les changements en fonction de l'humidité.
"La distance entre deux couches simples d'oxyde de graphène a évidemment à nouveau changé progressivement, mais l'explication de cet effet a été révélée par des zones de taille nanométrique qui n'étaient pas également remplies d'eau. Bien sûr, l'effet de l'interstratification a été exclu dans nos expériences car nous n'avons étudié que deux couches et une seule distance", dit Alexandr Talyzin.
Les résultats indiquent que la représentation de l'oxyde de graphène comme un plan plat n'est pas correcte. Il est, plutôt, une couche relativement épaisse (environ deux fois l'épaisseur du graphène) avec une variation d'épaisseur, y compris des « collines » et des « vallées » de différentes tailles. L'ajout de molécules d'eau augmente localement l'épaisseur de cette couche, mais pas nécessaire par la taille exacte de la molécule d'eau si certaines "vallées" sont remplies en premier. Lorsque tous les sites d'adsorption d'eau disponibles ("vallées") sont remplis, une couche d'eau supplémentaire est ajoutée à la fois. Cela se produit à une humidité très élevée ou dans de l'eau liquide.
À propos de l'oxyde de graphite :
Le graphène est une fine couche de carbone, seulement un atome d'épaisseur. C'est un matériau adsorbant unique en raison de sa surface extrêmement grande. Un gramme de graphène a une surface comparable à un terrain de football. Cet espace serait idéal pour l'adsorption de gaz et de liquides dans les applications de stockage de gaz, extraction des impuretés de l'eau, etc, à moins que le graphène ne soit hydrophobe, ce qui signifie que sa surface repousse l'eau. L'oxydation du graphène entraîne des modifications notables de ses propriétés. L'oxyde de graphène est hydrophile et attiré par l'eau, et est même très soluble dans l'eau. Un matériau composé de plusieurs couches d'oxyde de graphène est appelé oxyde de graphite. Une application possible dans le domaine environnemental est la purification des sols et de l'eau de mer contaminés. L'oxyde de graphène fonctionne comme un filtre qui sépare tous les autres composants de l'eau, sauf les molécules d'eau.
