(Phys.org) - Les scientifiques ont longtemps observé que la mouillabilité du graphène - un allotrope cristallin essentiellement bidimensionnel de carbone qui interagit étrangement avec la lumière et avec d'autres matériaux - peut être inversée entre les états hydrophobe et hydrophile en appliquant l'ultraviolet (UV) irradiation. Cependant, une explication de ce comportement est restée insaisissable. Récemment, chercheurs de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud et de l'Université de technologie, Sydney enquêtant sur ce phénomène à la fois expérimentalement et par des calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) - une méthode de modélisation de la mécanique quantique informatique - découvrant que l'irradiation UV permet cette transition réversible et contrôlable dans les films de graphène ayant induit des défauts par adsorption de séparation d'eau sur la surface de graphène de H 2 O molécules dans l'air. ( Fractionnement de l'eau est la réaction chimiquement dissociative dans laquelle l'eau est séparée en hydroxyle et hydrogène; hydroxyle est un groupe fonctionnel chimique contenant un atome d'oxygène relié par une liaison covalente à un atome d'hydrogène; et adsorption est l'adhésion des atomes, ions, ou des molécules d'un gaz, liquide, ou solide dissous à une surface.)

Les scientifiques concluent que leur découverte peut fournir de nouvelles informations sur les principes fondamentaux de la division de l'eau avec des matériaux à base de graphène, et pourrait ainsi conduire à d'autres applications - dont l'électrocatalyse, nanomatériaux; systèmes nanoélectromécaniques, biomatériaux, dispositifs microfluidiques, systèmes organiques hybrides, et d'autres systèmes multifonctionnels avancés.

Le Dr Zhimin Ao a discuté du document qu'il, Le doctorant Zhemi Xu et ses co-auteurs publiés dans Rapports scientifiques et les principaux défis auxquels les chercheurs ont été confrontés. "Le principal défi - et la motivation pour la réalisation de l'étude - était de révéler le mécanisme réel de la transition de mouillabilité réversible sous irradiation UV et de l'isoler de diverses raisons possibles, comme la contamination de produits chimiques sur des échantillons ou induite par des molécules dans l'air, " Ao raconte Phys.org . « Nous avons également dû identifier H 2 O plutôt que d'autres molécules possibles dans l'air, qui contribue à la transition de mouillabilité sous irradiation UV." Après avoir déterminé la contribution de H 2 , il ajoute, un autre défi était de comprendre le type d'adsorption de H 2 O pour la transition de mouillabilité, c'est-à-dire adsorption chimique ou physique.

"Deuxièmement, " Ao continue, "pour éliminer les inconvénients du dopage chimique et les défauts induits - tels que les molécules organiques sur l'échantillon de graphène - qui peuvent être un facteur important dans la transition de mouillabilité du graphène sous UV, les échantillons ont été stockés pendant deux heures sous vide pour éliminer les contaminants sur la surface du graphène. la plupart des défauts de graphène restants, comme les postes vacants, arêtes et joint de grain, serait là en raison du processus de synthèse.

« D'après nos calculs, sur les défauts de vacance, bord et joint de grain, le fractionnement de l'eau peut être plus facile à réaliser. Cependant, d'autres défauts peuvent également affecter la mouillabilité du graphène, comme le dopage à l'aluminium, qui a été rapporté par un autre journal ¹ de mon groupe."

La technique clé utilisée par les chercheurs pour relever ces défis consistait à combiner l'expérience et les calculs des premiers principes. « Dans notre expérience, nous avons démontré que la mouillabilité du graphène pouvait être réglée de manière réversible par irradiation UV dans l'air et stockage sous vide, " dit Ao. " En plus, les calculs informatiques nous permettent de comprendre l'effet exact de chaque facteur individuel. » Après avoir comparé leurs résultats expérimentaux et de calcul, les scientifiques ont découvert que les spectres Raman de l'expérience étaient similaires à celui de H 2 O adsorption dissociative sur graphène. (Dans la recherche sur le graphène, La spectroscopie Raman est utilisée pour déterminer le nombre et l'orientation des couches, la qualité et les types de bords, et les effets des perturbations, tels que les champs électriques et magnétiques, souche, et le dopage.) De plus, ils ont également considéré des irradiations dans des conditions différentes, comme dans O 2 et H 2 riches environnements, et trouvé que H 2 La concentration en O a clairement affecté le changement de mouillabilité du graphène après irradiation. "Par conséquent, " Ao ajoute, "nous avons conclu que H 2 L'adsorption dissociative O sur le graphène induit la transition de mouillabilité réversible."

L'application directe de cette approche est le fractionnement de l'eau - une étape très importante dans, par exemple, génération d'hydrogène :en utilisant la technique de ce travail, H 2 Les molécules O pourraient être facilement divisées en OH ^- et H ⁺ groupes et adsorbé sur graphène induit par défaut sous irradiation UV. Après irradiation, les deux groupes peuvent être facilement désorbés du graphène et produire de l'hydrogène, permettant au graphène d'être utilisé en continu comme catalyseur pour le fractionnement de l'eau.

Ao souligne que lors de la fabrication d'appareils à base de graphène - par exemple, cellules solaires – la fabrication de matériaux couche par couche est requise. "Le graphène hydrophile est plus facilement modifié et combiné avec d'autres matériaux que le graphène hydrophobe. Par exemple, dans le cas des biomatériaux, du graphène hydrophile serait souhaitable pour le contact de la biomolécule. »

Il s'avère que l'obtention d'une mouillabilité réversible du graphène peut être réalisée en utilisant d'autres techniques, y compris les champs électriques externes, traitement plasma, champs magnétiques, et la diffraction des neutrons. "Réellement, le travail visant à obtenir une mouillabilité réversible du graphène à l'aide de champs électriques externes a également été signalé ² par mon groupe sur la base de calculs de premier principe. Par rapport à l'utilisation de champs électriques externes, L'irradiation UV est facilement réalisée dans l'expérience, alors qu'un champ électrique très élevé est nécessaire pour réaliser la transition de mouillabilité, " notant qu'une expérience sous un fort champ électrique est en cours. " Le plasma a une énergie encore plus grande, et peut induire plus de défauts dans le graphène. Cependant, le processus de traitement au plasma est plus compliqué et a des exigences plus élevées."

Regarder vers l'avant, Ao note qu'ils doivent clarifier davantage le mécanisme de la transition hydrophobe à hydrophile du graphène sous irradiation UV, car cette dernière peut elle-même induire des défauts du graphène. "Bien que l'on croyait que l'irradiation UV induisait des défauts dans le graphène, le problème est que ces défauts ne sont pas évidents car cette source d'énergie n'est pas assez puissante. Pour clarifier davantage le mécanisme de mouillabilité réversible, nous pouvons utiliser différentes sources d'énergie pour étudier la transition, comme la diffraction des rayons X et des neutrons. » Ils prévoient également d'étudier le changement de conductivité et les propriétés de transport sous irradiation UV.

"Un film de graphène à haute conductivité électrique avec une hydrophilie élevée est toujours souhaitable, " Ao raconte Phys.org . "Toutefois, ces deux propriétés se résistent normalement. Lorsque vous travaillez avec des appareils à base de graphène, explorer la variation de la conductivité électrique du graphène dans de tels processus peut aider à contrôler et à équilibrer ces deux propriétés. »

D'autres domaines qui pourraient bénéficier de leur étude, Ao conclut, comprennent des capteurs et la production et le stockage d'hydrogène.

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