Perché le gocce d'acqua "vedono" il grafene, ma non lo mostrano
Il grafene come specchio di carica
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La ricerca sul grafene ha fatto passi da gigante negli ultimi anni. Tuttavia, per sfruttare appieno il suo potenziale in applicazioni come le membrane per la desalinizzazione, i sensori e l'accumulo e la conversione di energia, è necessaria una comprensione più approfondita dell'interazione tra grafene e acqua. Finora si pensava che il grafene, quando viene appoggiato su un substrato, ereditasse in gran parte le proprietà di bagnatura del materiale sottostante, un fenomeno noto come "trasparenza di bagnatura". Un team di ricerca internazionale guidato da Yongkang Wang e Yair Litman ha ora dimostrato che, sebbene il grafene appaia "trasparente" su grandi scale, esercita una sottile ma significativa influenza sulle molecole d'acqua vicine su scala nanometrica.
Il grafene, uno strato di carbonio spesso appena un atomo, è considerato un materiale meraviglioso: estremamente stabile, altamente conduttivo e otticamente trasparente. Per molto tempo è apparso altrettanto trasparente all'acqua: le misurazioni dell'angolo di contatto dell'acqua - una misura della bagnabilità - hanno mostrato che il grafene su un substrato "lascia passare" la bagnabilità del substrato praticamente inalterata. Questo fenomeno di "trasparenza di bagnatura", osservato per anni, sembrava contraddire il fatto che il grafene è altamente polarizzabile e quindi reagisce in modo sensibile alle cariche del substrato.
Un team internazionale guidato da Yongkang Wang e Yair Litman del Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), in collaborazione con l'Università di Cambridge, l'Institute for Basic Science (IBS) in Corea, la Korea University e la Durham University, ha ora colmato questa lacuna. I ricercatori hanno dimostrato che, su scala micrometrica, il grafene appare trasparente alla bagnabilità del substrato, ma su scala nanometrica rimodella in modo significativo la struttura dell'acqua.
Per dimostrarlo, hanno combinato una spettroscopia vibrazionale avanzata specifica per la superficie con simulazioni di dinamica molecolare e hanno studiato l'acqua su cristalli di fluoruro di calcio (CaF2) - una volta nella sua forma pura e una volta ricoperta da un singolo strato di grafene. Variando il pH della soluzione acquosa, hanno regolato in modo specifico la carica superficiale del CaF₂ e hanno seguito direttamente l'allineamento dell'acqua vicino alla superficie del grafene. Il risultato a livello macroscopico: l'elettrostatica del substrato domina l'orientamento e la struttura dell'acqua interfacciale, che rimane sostanzialmente invariata con e senza grafene, a conferma della trasparenza della bagnatura.
Tuttavia, le simulazioni rivelano ciò che accade su scala nanometrica: le cariche locali sul CaF₂ inducono corrispondenti "cariche immagine" nello strato polarizzabile di grafene, spostando le cariche del grafene tramite attrazione elettrostatica. Ciò altera la forza e la direzione del campo elettrico sperimentato dalle molecole d'acqua nelle immediate vicinanze. Direttamente sopra una carica locale nel CaF₂, la carica indotta del grafene può schermare parzialmente il campo o addirittura invertirlo, facendo sì che le molecole d'acqua nel primo strato si riallineino inaspettatamente. A pochi angstrom di distanza, il campo può diventare più forte che in assenza di polarizzazione del grafene, favorendo l'allineamento delle molecole d'acqua.
In media su molti di questi punti di carica, gli effetti locali opposti si annullano a vicenda: la trasparenza di bagnatura macroscopica rimane intatta. Il grafene agisce quindi come uno "specchio su scala nanometrica" per le cariche del substrato: le riflette e le ridistribuisce, modellando così la struttura dell'acqua senza alterare il comportamento di bagnatura macroscopico complessivo.
"Gli effetti osservati sono di grande rilevanza tecnica", afferma Yongkang Wang, capogruppo del Dipartimento di Spettroscopia Molecolare di Mischa Bonn. "Anziché limitarsi a modificare la struttura superficiale o la chimica del grafene, gli ingegneri possono ora considerare la strutturazione della carica del substrato come un parametro di progettazione per controllare l'acqua interfacciale".
Yair Litman, leader del gruppo e co-primo autore dello studio, aggiunge: "Il controllo della risposta elettronica del grafene con una tale precisione su scala nanometrica potrebbe essere utilizzato per influenzare la distribuzione degli ioni, il flusso dell'acqua e le reazioni interfacciali".
Questa prospettiva multiscala fornisce nuove regole di progettazione per le applicazioni che coinvolgono strati di grafene in ambienti acquosi, dalle membrane nanofluidiche ai dispositivi di accumulo di energia elettrochimica e ai componenti neuromorfici. A lungo termine, l'uso mirato di questo nuovo meccanismo di controllo su scala nanometrica potrebbe rendere le membrane di grafene più selettive, i dispositivi di stoccaggio dell'energia più efficienti e i componenti neuromorfici più robusti.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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