Grafeen is ‘onzichtbaar voor water\'

Grafeen is het dunste materiaal dat in de wetenschap bekend is. Het nanomateriaal is zo dun, dat water vaak niet eens merkt dat het er is. Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute en Rice University hebben stukjes goud, koper en silicium gecoat met een enkele laag grafeen en plaatsten vervolgens een druppel water op het gecoate oppervlak. Tot hun verrassing had de grafeencoating geen enkele invloed op de manier waarop het water zich over het oppervlak verdeelde.

 

Deze ontdekking kan helpen bij het maken van een nieuwe generatie flexibele elektronicacomponenten op basis van grafeen. Bovendien zou het toepasbaar kunnen zijn voor een nieuw soort thermische pijp (heat pipe) waarbij grafeen met een kopercoating wordt gebruikt voor het koelen van chips

 

De ontdekking is gedaan door een team onder leiding van professor Nikhil Koratkar (Rensselaer) en professor Pulickel Ajayan (Rice). "We hebben verschillende oppervlakken gecoat met grafeen en er toen water op gedruppeld. Tot onze verrassing veranderde er niets, het grafeen was volledig transparant voor het water", zegt Koratkar. "De grafeenlaag was zo dun dat hij geen invloed had op de interactie tussen het water en het onderliggende oppervlak. Dat is een spannende ontdekking en het is alweer een voorbeeld van de unieke en bijzondere karakteristieken van grafeen."

 

De resultaten van het onderzoek zijn gedetailleerd beschreven in het artikel "Wetting transparency of graphene" in het tijdschrift Nature Materials.

 

Flexibele, papierdunne elektronica

Grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in een soort kippengaasmotief op nanoschaal. Het heeft uitstekende mechanische eigenschappen. Het materiaal is bijzonder sterk en zo flexibel dat vrijwel elk oppervlak ermee kan worden gecoat. Veel wetenschappers beschouwe grafeen als een basismateriaal dat van groot belang kan zijn bij de verdere ontwikkeling van flexibele, papierdunne componenten en displays. Als grafeen zou worden gebruikt als coating voor dergelijke componenten, zou het zeker in contact komen met vocht. Daarom was het belangrijk om de interactie van grafeen met vocht te onderzoeken.

 

Koratkar en Ajayan ontdekten dat een grafeencoating op  de geteste materialen geen invloed had: een druppel bleef zich gedragen volgens de karakteristiek van het gecoate materiaal. Dat resultaat verbaasde de onderzoekers. Grafeen is impermeabel, omdat de ruimten tussen de koolstofatomen te klein zijn om water, of een enkele proton of wat dan ook door te laten. Daarom zou je niet verwachten dat water zich zou gedragen alsof het op goud, koper of silicium wordt gedruppeld, want de coating voorkomt direct contact met deze materialen.

 

Tot zes lagen

Toen de onderzoekers het aantal grafeenlagen verhoogden werd het grafeen minder transparent voor water en veranderde het bevochtigingsgedrag significant. Bij zes lagen grafeen zag het water niet langer het goud, koper of silicium - maar uitsluitend grafeen. De reden voor dit opmerkelijke gedrag zit hem in het feit dat water chemische- of waterstofbindingen vormt met bepaalde materialoppervlakken, terwijl het bij anderre materialen niet gaat om bindingen maar om vanderwaalskrachten. Deze krachten zou je kunnen vergelijken met een nanoschaal-versie van de zwaartekracht, zegt Koratkar.

 

Bij goud, koper of silicium en andere materialen bepalen de vanderwaalskrachten tussen het oppervlak en de waterdruppel de manier waarop het water zich verdeelt over het oppervlak. In het algemeen hebben deze krachten een bereik van enkele nanometers. Daardoor worden ze niet verstoord door de aanwezigheid van een enekele atoomlaag grafeen. Maar als je lagen grafeen blijft toevoegen zien de vanderwaalkrachten uiteindelijk de bovenkant van het grafeen, in plaats van het onderliggende materiaal.

 

Een mogelijke praktische toepassing van de ontdekking is de heat pipe voor koeling van chips. Grafeen heft geen invloed op de bevochtiging van et koper van de pijp, maar passiveert dat koper wel, zodat het niet oxideert.