Omslag in denken over grafeen
Grafeen drijvend op water stoot geen water af, zoals veel wetenschappers denken, maar trekt juist water aan. Dit hebben de chemici Liuba Belyaeva en Pauline van Deursen en hun begeleider Grégory Schneider aangetoond. Publicatie in Advanced Materials.
Grafeen bestaat eigenlijk uit precies hetzelfde materiaal als grafiet, dat onder andere in potloden zit, maar verschilt daarvan doordat het niet meer dan één atoomlaag dik is. Doordat het zoveel op grafiet lijkt, is lange tijd aangenomen dat grafeen net als grafiet waterafstotend is.
Water aantrekken
Uit veel studies kwam echter al een wisselend beeld naar voren over de bevochtingseigenschappen van grafeen. De Leidse onderzoekers hebben nu ontdekt, dat het oppervlak van grafeen op water, mits schoon en glad, hydrofiel is. In andere woorden: grafeen trekt water aan.
Toepassingen van grafeen
Dit inzicht is van groot belang voor de verdere toepassing van grafeen. Met zijn dunne atomaire laag van koolstofatomen, die in een honingraatstructuur zijn gerangschikt, is grafeen onder meer geschikt voor biosensoren en om DNA te decoderen. Ook kan het dunne materiaal gebruikt worden als biomedische sensor, aangebracht op de huid of zelfs in het lichaam. In al die gevallen is de grafeenlaag blootgesteld aan water.
Op een waterlaag
Lange tijd dacht men dat grafeen hydrofoob was, oftewel waterafstotend. De wetenschappers denken dat dat komt omdat grafeen doorgaans wordt geproduceerd op een metaaloppervlak en daarna wordt overgebracht op een solide ondergrond. Bij het overbrengen kan het grafeen echter beschadigd of verontreinigd raken, wat het bevochtingsgedrag kan beïnvloeden.
Bolling van een druppeltje
Om er achter te komen of een intacte grafeenlaag aan de oppervlakte al dan niet hydrofiel is, moet er een druppeltje water op aangebracht worden. Uit de bolling van het druppeltje valt dan op te maken of het oppervlak waterafstotend is, net als bij een regenjas, of wateraantrekkend is, zoals bij een metaaloppervlak. Tot zover de theorie, want in de praktijk zal zo’n druppeltje de laag meteen doen scheuren, waarna er niet veel meer valt te meten.
Water nagebootst
De onderzoekers hebben dit probleem ondervangen door ijs of hydrogel in plaats van water als dragende laag te gebruiken. IJs en hydrogel zijn veel steviger en kunnen water goed nabootsen. Vervolgens hebben de onderzoekers minuscule druppels water op het grafeen kunnen aanbrengen en daarna de contacthoek tussen het grafeenoppervlak en de buitenkant van de druppel kunnen meten. Ook hebben ze gemeten aan druppeltjes van een reeks andere vloeistoffen verschillend in polariteit. Op die manier konden ze vaststellen, dat werkelijk alle moleculaire interacties van het onderliggende water gevoeld worden door de watermoleculen in de bovenliggende druppel. Deze volledige transparantie is het gevolg van de extreme dunheid van grafeen en verklaart waarom grafeen op water zich hydrofiel gedraagt.
Compleet ander gegeven
Deze ontdekking is van grote betekenis in verband met toepassingen van grafeen in sensoren, waterfiltratie, membranen van brandstofcellen, waarbij grafeen van beide kanten bloot staat aan water. Ontwikkelaars moeten voortaan met een compleet ander gegeven gaan werken, namelijk dat het grafeen waarmee ze werken niet hydrofoob maar hydrofiel is.
Lees hier het volledige artikel in Advanced Materials.