Porque é que as gotas de água "vêem" o grafeno - mas não o mostram
O grafeno como espelho de carga
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A investigação sobre o grafeno tem registado grandes progressos nos últimos anos. No entanto, para aproveitar plenamente o seu potencial em aplicações como membranas de dessalinização, sensores e armazenamento e conversão de energia, é necessária uma compreensão mais profunda da interação entre o grafeno e a água. Até agora, pensava-se que o grafeno, quando apoiado num substrato, herdava em grande parte as propriedades molhantes do material subjacente, um fenómeno conhecido como "transparência molhante". Uma equipa internacional de investigação liderada por Yongkang Wang e Yair Litman demonstrou agora que, embora o grafeno pareça "transparente" em grande escala, exerce uma influência subtil, mas significativa, sobre as moléculas de água próximas à nanoescala.
O grafeno, uma camada de carbono com apenas um átomo de espessura, é considerado um material maravilhoso: extremamente estável, altamente condutor e opticamente transparente. Durante muito tempo, pareceu igualmente transparente à água: medições do ângulo de contacto da água - uma medida da molhabilidade - mostraram que o grafeno sobre um substrato "deixa passar" a molhabilidade do substrato praticamente inalterada. Este fenómeno de "transparência molhante", observado durante anos, parecia contradizer o facto de o grafeno ser altamente polarizável e, por conseguinte, reagir de forma sensível às cargas no substrato.
Uma equipa internacional dirigida por Yongkang Wang e Yair Litman do Instituto Max Planck de Investigação de Polímeros (MPI-P), em colaboração com a Universidade de Cambridge, o Instituto de Ciências Básicas (IBS) da Coreia, a Universidade da Coreia e a Universidade de Durham, colmatou agora esta lacuna. Os investigadores demonstram que, à escala do micrómetro, o grafeno parece ser transparente à molhabilidade do substrato, mas à escala nanométrica, remodela significativamente a estrutura da água.
Para demonstrar este facto, combinaram espetroscopia vibracional avançada específica da superfície com simulações de dinâmica molecular e estudaram a água em cristais de fluoreto de cálcio (CaF2) - uma vez na sua forma pura e uma vez coberta com uma única camada de grafeno. Ao variar o pH da solução de água, eles ajustaram especificamente a carga superficial do CaF₂ e rastrearam diretamente como a água perto da superfície do grafeno se alinha. O resultado no nível macroscópico: a eletrostática do substrato domina a orientação e a estrutura da água interfacial, que permanece essencialmente inalterada com e sem transparência de umedecimento confirmando o grafeno.
No entanto, as simulações revelam o que acontece à nanoescala: as cargas locais no CaF₂ induzem "cargas de imagem" correspondentes na camada de grafeno polarizável, deslocando as cargas do grafeno através da atração eletrostática. Isto altera a força e a direção do campo elétrico experimentado pelas moléculas de água na vizinhança imediata. Diretamente acima de uma carga local em CaF₂, a carga de grafeno induzida pode proteger parcialmente o campo ou mesmo invertê-lo, fazendo com que as moléculas de água na primeira camada se realinhem inesperadamente. Apenas alguns angstroms mais longe, o campo pode tornar-se mais forte do que na ausência de polarização do grafeno, aumentando o alinhamento das moléculas de água.
Em média, em muitos destes pontos de carga, os efeitos locais opostos anulam-se mutuamente - a transparência macroscópica da humidade permanece intacta. O grafeno funciona assim como um "espelho à nanoescala" para as cargas do substrato: reflecte-as e redistribui-as, moldando assim a estrutura da água sem alterar o comportamento macroscópico global de molhagem.
"Os efeitos observados são de grande relevância técnica", afirma Yongkang Wang, líder do grupo no Departamento de Espectroscopia Molecular de Mischa Bonn. "Em vez de se limitarem a alterar a estrutura ou a química da superfície do grafeno, os engenheiros podem agora considerar a estruturação da carga do substrato como um parâmetro de conceção para controlar a água interfacial".
Yair Litman, líder do grupo e co-primeiro autor do estudo, acrescenta: "O controlo da resposta eletrónica do grafeno com uma precisão tão nanométrica pode ser utilizado para influenciar a distribuição de iões, o fluxo de água e as reacções interfaciais".
Esta perspetiva multiescala fornece novas regras de conceção para aplicações que envolvem camadas de grafeno em ambientes aquosos - desde membranas nanofluídicas a dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica e componentes neuromórficos. A longo prazo, a utilização orientada deste novo mecanismo de controlo à nanoescala poderá tornar as membranas de grafeno mais selectivas, os dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes e os componentes neuromórficos mais robustos.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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