L'image de gauche montre le film GO soigné, qui s'est désintégré dans l'eau. Le film contaminé à droite reste stable.
Une équipe dirigée par la Northwestern University a récemment trouvé la réponse à une question mystérieuse qui a intrigué la communauté des sciences des matériaux pendant des années – et elle s'est présentée sous la forme d'une chimie étonnamment basique.
Comme de nombreux scientifiques, Jiaxing Huang ne comprenait pas pourquoi les films d'oxyde de graphène (GO) étaient très stables dans l'eau. Une fois immergé, les feuilles GO individuelles se chargent négativement et se repoussent, ce qui devrait provoquer la désintégration de la membrane. Mais des articles antérieurs ont noté qu'au lieu de se désintégrer, les films se sont stabilisés.
"Ça n'a aucun sens, " dit Huang, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering. "De nombreux scientifiques ont été très intrigués par cela."
oxyde de graphène, un produit de l'oxydation du graphite, est souvent utilisé pour fabriquer du graphène, une feuille de carbone épaisse à couche unique d'un atome qui est remarquablement résistante, poids léger, et a un potentiel élevé dans l'électronique et le stockage d'énergie. Au cours des trois dernières années, cependant, plus de scientifiques se sont intéressés à GO lui-même, en partie à cause de son potentiel pour les applications de séparation moléculaire.
Après avoir étudié la matière pendant de nombreuses années, Huang s'est rendu compte que le secret de la mystérieuse insolubilité de GO était l'introduction involontaire d'un contaminant commun. Pour faire un film GO, de nombreux scientifiques font passer la dispersion acide de feuilles individuelles à travers des disques filtrants en oxyde d'aluminium anodisé poreux, qui sont couramment utilisés pour préparer des membranes de nombreux nanomatériaux. L'équipe de Huang a découvert que pendant la filtration, les disques filtrants en aluminium se corrodent dans l'eau acide pour libérer un nombre important d'ions aluminium, Al 3+ . L'ion chargé positivement se lie aux feuilles GO chargées négativement pour stabiliser les membranes résultantes.
"Nous avons résolu le casse-tête en utilisant essentiellement une chimie inorganique de première année, " a déclaré Huang. " Maintenant, nous savons que les films d'oxyde de graphène sont en effet solubles dans l'eau. C'est juste une question de pureté de l'échantillon."
Autres ions métalliques multivalents, comme le manganèse, qui est un sous-produit de la synthèse de GO, peut également réticuler les feuilles.
Les recherches de Huang sont décrites dans "Sur l'origine de la stabilité des membranes d'oxyde de graphène dans l'eau, " Publié dans Chimie de la nature le 5 janvier. Parmi les autres auteurs de l'article, citons l'étudiant diplômé Che-Ning Yeh, post-doctorant Kalyan Raidongia, ancien étudiant diplômé invité Jiaojing Shao, et l'ancien conseiller de Shao, Quan-Hong Yang, de l'Université de Tianjin en Chine. La National Science Foundation et l'Office of Naval Research ont financé différentes parties décrites dans le document.
La découverte de Huang a également indiqué que les films GO ne sont pas aussi forts que les chercheurs le pensaient autrefois. Les ions aluminium rendent le film beaucoup plus rigide. Sans les ions, GO est trois à quatre fois plus faible.
« Ceci est un signal d'alarme pour quiconque utilise des disques filtrants en oxyde d'aluminium, " dit-il. " Les gens l'ont utilisé pour la préparation d'échantillons dans de nombreux domaines de la science des matériaux et de la biologie. Maintenant, nous savons que ce n'est pas aussi propre que nous le pensons."
