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浮在水上的石墨烯是親水的嗎?

鉅大LARGE  |  點擊量:3044次  |  2018年06月11日  

  導讀

  近日,在一篇發表于《先進材料》雜志的論文中,荷蘭萊頓大學的化學家們表示:水面上的石墨烯不是疏水的,而是親水的。這一發現將對石墨烯在傳感器、濾水以及基于膜的燃料電池方面的應用,產生非常大的影響。

  背景

  石墨烯,是一種只有單個原子層厚度的二維材料,也可以稱為“單原子層石墨”。它與石墨是由同一種材料制成。石墨,相信大家并不陌生,因為我們常用的鉛筆芯的主要成分就是石墨。石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的,石墨的層間作用力較弱,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后,這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

  石墨烯具有許多優秀的特性,作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,石墨烯享有“黑金”、“新材料之王”等美譽。科學家們甚至預言,石墨烯極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

  石墨烯的應用領域十分廣闊,例如:柔性電子、高效晶體管、新型傳感器、新材料、電池、超級電容、半導體制造、新能源、通信、太赫茲技術、醫療等方面,之前筆者在多篇文章中都有過介紹,這里就不再贅述了。

  然而,石墨烯到底屬于疏水性材料還是親水性材料?長時間以來,最常見的假設就是:與許多其他碳基材料例如石墨一樣,石墨烯被認為是疏水性材料。

  創新

  但是,在一篇發表于《先進材料》(AdvancedMaterials)雜志的論文中,荷蘭萊頓大學的化學家LiubovBelyaeva和PaulinevanDeursen以及他們的導師GrégoryF.Schneider表示:這個問題遠比人們最開始所認為的要復雜的多。正如許多科研人員所相信的那樣,漂浮于水面上的石墨烯不但不是疏水的,而且相反,還是吸水的。

  技術

  對于石墨烯的潤濕性,許多相關研究都有不同的觀點。近日,荷蘭萊頓大學的研究人員研究表明:在干凈和光滑條件下,水面上的石墨烯表面是親水的。換句話說,水中的石墨烯是吸水的。

  這項研究對于石墨烯的未來應用非常重要。石墨烯是由蜂窩狀結構的單層碳原子組成,因此它可以應用于解碼DNA的生物傳感器。這種超薄材料還可以用于傳感器、濾水以及燃料電池膜。在所有這些情況下,石墨烯層的兩面都接觸水。

  很長時間以來,石墨烯都被認為是疏水的,或者是不透水的。研究人員這么假定,是因為:石墨烯通常在金屬表面上制造,后來被轉移到固體支撐物例如硅晶圓上。然而,在這個轉移過程中,石墨烯會被損傷或者腐蝕,從而影響了它的潤濕性。

  為了判斷完好無損的石墨烯層是否是親水的,一滴水被滴到石墨烯層上。然后,科研人員可以從水滴的曲率判斷該表面是否是疏水的,也就是說如同雨衣一樣;或者,它是否是吸水的。理論上是差不多就是這樣,然而在實踐中,這樣一滴水將會立即扯破石墨烯層,帶來縫隙,然后供測量使用的水分就會剩下很少。

  為了解決這一問題,研究人員使用冰或者水凝膠取代水,作為支撐層。冰和水凝膠比水更加強大,而且和水非常相似。然后,他們能夠將非常小的水滴滴到石墨烯上,測量石墨烯表面和水滴外表的接觸角。此外,他們也使用了具有不同極性的其他液體,重復了這種測量。然后,他們能夠判斷出,水下的所有分子接觸都會被上面水滴中的水分子感覺到。這種完全的透明性要歸功于石墨烯超薄的特性,而且它也揭示出了石墨烯在水面上為什么是親水的。

  價值

  對于石墨烯在傳感器、濾水以及基于膜的燃料電池方面的應用來說,這一觀點產生了極大的影響。所有這些應用都需要石墨烯接觸水,因此開發人員將必需考慮一個完全不同的起點:石墨烯不是疏水的,而是親水的。

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