«Наше исследование предполагает, что вызванная легированием модуляция плотности носителей заряда в графене влияет на его смачиваемость и адгезию», – пояснил Сунг Ву Нам, доцент кафедры механики и инженерии в Иллинойсе. «Эта работа исследует это новое явление настраиваемого смачивания, вызванное легированием, которое является уникальным для графена и, возможно, других 2D-материалов, в дополнительных теоретических и экспериментальных исследованиях."
По словам исследователей, графен, будучи оптически прозрачным и обладающим превосходными электрическими и механическими свойствами, может произвести революцию в области поверхностных покрытий и дисплеев для электросмачивания.
Смачиваемость материала (i.е. взаимодействие с водой) обычно является постоянным при отсутствии внешнего воздействия и классифицируется как водоотталкивающий (гидрофильный) или водоотталкивающий (гидрофобный; водяные шарики на поверхности). В зависимости от конкретного применения требуется выбор между гидрофобным или гидрофильным материалом.
Например, для дисплеев с электросмачиванием гидрофильные характеристики материала дисплея улучшаются с помощью постоянного внешнего электрического тока.
«Что делает графен особенным, так это то, что, в отличие от обычных объемных материалов, он демонстрирует настраиваемые характеристики смачивания поверхности из-за изменения его электронной плотности или легирования», – сказал Али Ашраф, аспирант-исследователь и первый автор статьи, «Допинг -Индуцированная настраиваемая смачиваемость и адгезия графена », появившаяся в Nano Letters. «Наши совместные исследовательские группы обнаружили, что, хотя графен обычно ведет себя как гидрофобный материал (из-за наличия сильно удерживаемых загрязнений, переносимых воздухом на его поверхности), его гидрофобность можно легко изменить, изменив электронную плотность.
«Наше исследование показывает, что графен демонстрирует регулируемую смачиваемость – переключаемое гидрофобное и гидрофильное поведение – когда его электронная плотность изменяется подповерхностными заряженными полимерами и металлами (a.k.а. допинг) ", – добавил Ашраф. "Это открытие проливает свет на предыдущие неясные связи между переносом заряда на квантовом уровне и макроскопической смачиваемостью поверхности графена. Это захватывающее открытие открывает новые возможности для настраиваемых дисплеев для нанесения покрытий и электросмачивания без непрерывной подачи внешнего электрического тока, что приведет к значительной экономии энергии."
«Кроме того, мы исследовали еще одно тесно связанное с этим свойство – поверхностную адгезию», – сказал Нам. «Мы наблюдали, что изменение электронной плотности графена приводит к изменению адгезии, которая определяет, как графен взаимодействует с другими гидрофобными и гидрофильными молекулами, что важно для химических и биосенсоров на основе графена.
Наше открытие предполагает, что можно сделать многоразовые самоочищающиеся графеновые сенсоры, которые могут сначала взаимодействовать с гидрофобными молекулами для обнаружения, а затем отделяться от них (i.е. очищает себя) за счет повышенной гидрофильности за счет модуляции электронной плотности."
Помимо Нам и Ашрафа, в число соавторов входят Янбинь Ву, Майкл Кай Ван, Кеонг Ён, Тао Сун, Юхан Цзин, Ричард Т. Хааш и Нараяна Алуру, профессор механики и инженерии, чья исследовательская группа провела теоретическое моделирование этого нового экспериментального наблюдения в данном исследовании.
Эта работа была поддержана при финансовой поддержке Управления научных исследований ВВС / Азиатского отдела развития аэрокосмических исследований (AFOSR / AOARD), программы Nano Bio Info Technology (NBIT) Phase III и премии Национального научного фонда CAREER.
Эксперименты частично проводились в Лаборатории исследования материалов Фредерика Зейтца, Лаборатории микро- и нанотехнологий и в группе технологий обработки изображений Института Бекмана в Иллинойсе.
Авторы отмечают, что их работа независимо демонстрирует и дополнительно подтверждает аналогичные результаты, сообщенные в Hong et al. (DOI: 10.1021 / acs.нанолет.6b01594), демонстрирующий модуляцию смачиваемости графена, вызванную легированием.