Химики заставили графен любить и бояться воду

Гидрофобность или гидрофильность материала — «стремление» избежать или сохранить контакт с водой соответственно — определяется краевым углом смачивания. При условии, что угол между жидкостью и поверхностью превышает 150 градусов, последняя считается супергидрофобной, при значении около нуля — супергидрофильной. Изучение смачиваемости и поиск способов ее модуляции важны для многих отраслей, в том числе промышленности и медицины. Наименее воспроизводимым остается «переключение» смачиваемости в одном материале. В 2007 году корейские ученые показали, что управлять показателем в случае пентоксида ванадия (V₂O₅) можно с помощью ультрафиолетового излучения.

Пентоксид ванадия широко используется в качестве электрода в литиевых аккумуляторах, в производстве специальных стекол и люминофоров. В новой работе специалисты из Университета Райса и Университета имени Бен-Гуриона описали способ изменения смачиваемости графена. Этот материал был открыт в 2004 году, однако до сих пор его приложения, в том числе из-за сложности получения, остаются ограничены. В 2014 году ученые показали технологию изготовления графена из полиимидной пленки на воздухе. При облучении лазером пленка в точке контакта превращалась в пористую структуру с множеством одноатомных графеновых листов, что позволяло задавать им необходимую форму.

Последующие эксперименты, моделирующие получение графена в разной атмосфере, показали, что при высоком содержании водорода или аргона материал становится супергидрофобным, тогда как на воздухе или в атмосфере кислорода — супергидрофильным. Гидрофильность коррелировала с содержанием в графене молекул кислорода, что объясняется повышенной полярностью химической связи между кислородом и углеродом (модификацией которого является графен) по сравнению со связями типа водород-углерод и углерод-углерод. Чтобы создать гибридную структуру с разной степенью смачиваемости на отдельных участках, авторы сконструировали специальную установку.

Система работает так. На первом этапе в камеру размером несколько сантиметров с отверстием для лазерного луча, изолированным посредством селенида цинка, помещается полимерная пленка. Затем в камеру, в которой содержались кислород, воздух, водород или аргон, дополнительно подавали газ (воздух, водород или аргон). В зависимости от состава атмосферы, лазер превращал целевые области в гидрофильные или гидрофобные. В ходе демонстрации ученые изготовили на графеновой подложке супергидрофильный логотип Университета Райса на супергидрофобном фоне. По их мнению, метод может использоваться при создании, например, антиобледенительных поверхностей или суперконденсаторов.

Статья опубликована в журнале Advanced Materials.

Ранее американские исследователи получили супергидрофобный материал, который может отталкивать любую жидкость с рекордной скоростью. Между тем в январе британская компания впервые представила одежду с элементами из графена.