Une image montrant des molécules d'eau de graphène des deux côtés du graphène. Parce que le graphène est un conducteur d'électricité, les molécules d'eau des deux côtés du graphène s'attirent par les mêmes charges. Crédit :Université du Commonwealth de Virginie
Une étude récemment publiée menée par des chercheurs de la Virginia Commonwealth University jette un nouvel éclairage sur la façon dont l'eau interagit avec le nanomatériau graphène, un seul, fine couche d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal en nid d'abeille.
Les découvertes des chercheurs pourraient avoir des implications pour une variété d'applications, y compris les capteurs, membranes de pile à combustible, filtration de l'eau, et des matériaux d'électrode à base de graphène dans des supercondensateurs haute performance.
L'étude, " Corrélations solvant-solvant à travers le graphène :l'effet des charges d'image, " a été publié dans la revue American Chemical Society ACS Nano et était dirigé par Neda Ojaghlou, Doctorat., qui a mené la recherche en tant que doctorant au département de chimie du Collège des sciences humaines.
Le projet a porté sur un domaine d'étude important pour la médecine, industrie et science :comprendre comment les liquides, principalement l'eau, interagissent avec les surfaces. Ces interactions sont mesurées de plusieurs manières, mais surtout en surveillant le "mouillage, " déduit de la forme d'une goutte sur une surface. Si une goutte est plate, la surface est considérée comme "hydrophile, " comme un verre mouillé. Si la goutte ressemble à une sphère, il est "hydrophobe, " comme une goutte sur une poêle chaude.
"Une surface extrêmement importante pour étudier le mouillage est une feuille de graphène. Le graphène est l'un des nanomatériaux les plus importants, " dit Ojaghlou. " C'est chimique, les propriétés électriques et mécaniques sous-tendent un large éventail d'applications allant des téléphones portables à la production de raquettes de tennis, et des appareils électroniques à la construction automobile. Le mouillage du graphène est également important dans les surfaces biologiques et la conception de supercondensateurs. »
Dans cette étude, les chercheurs ont étudié la propension améliorée du graphène à se mouiller s'il y a de l'eau de l'autre côté de la feuille. Ils ont utilisé des simulations informatiques avancées pour étudier cet effet au niveau moléculaire.
"En améliorant le modèle du graphène, nous avons montré pour la première fois comment la conductivité du graphène conduit à une transparence mouillante. La conductivité signifie le déplacement des charges électriques des atomes de carbone pour répondre à la présence de moments dipolaires électriques de l'eau. Ces fluctuations électriques sur les atomes de carbone, qui sont extrêmement difficiles à simuler, moduler l'interaction des molécules d'eau sur les deux faces de la feuille, " dit Ojaghlou. " Bref, nous avons pris en compte la conductivité du graphène, et cela fournit une bien meilleure explication du mouillage du graphène lorsqu'il y a de l'eau de l'autre côté."
Dusan Bratko, Doctorat., professeur au Département de chimie et auteur de l'article, a déclaré que les résultats sont une découverte importante.
"Au contact de l'eau, le graphène interfère avec les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau, en les remplaçant par une attraction de dispersion plus faible pour les atomes de carbone. Néanmoins, le graphène pur s'avère faiblement hydrophile. Ceci s'explique en partie par la conductivité du graphène, ce qui ajoute un mécanisme attractif intéressant entre les dipôles aqueux et les charges transitoires induites sur les atomes de carbone, " a déclaré Bratko.
"Une caractéristique jusque-là inconnue dévoilée par l'approche informatique de l'équipe est la synergie des effets d'induction lorsque de l'eau est présente des deux côtés d'une feuille de graphène, " dit-il. " Dans cette nouvelle photo, le graphène joue un rôle actif dans la communication entre les couches d'hydratation opposées. Par conséquent, le graphène est considérablement plus facile à mouiller des deux côtés que d'un seul côté. Ceci est important car le premier scénario se produit dans de nombreuses applications pratiques. Les deux comportements distincts ont été indiqués dans des expériences dans l'eau et peuvent être attendus avec d'autres liquides ou solutions dipolaires et ioniques."
Mahdi Shafiei, Doctorat., également ancien doctorant à VCU et auteur de l'article, a déclaré que les découvertes de l'équipe pourraient être expliquées comme montrant comment une feuille de graphène "se comporte comme un miroir pour les molécules d'eau".
« Dans notre travail, nous expliquons pour la première fois les charges d'image sur le graphène conducteur, " a déclaré Shafiei. " Notre travail a au moins deux impacts significatifs :il met en lumière le comportement des gouttelettes d'eau sur le graphène supporté par l'eau, et nous élargissons les connaissances théoriques sur la conduite de charges de graphène et d'image sur eux. "