الجرافين غير مرئي للماء

الجرافين غير مرئي للماء
لا يوجد أي تغيير فعليًا في طريقة تفاعل الماء مع المواد بما في ذلك النحاس والذهب والسيليكون بعد أن يتم تغطيتها بطبقة واحدة من الجرافين . على الرغم من أن الجرافين رقيق بشكل لا يصدق ، إلا أن هذه النتائج لا تزال مفاجئة لأنه غير منفذ. مع هذه الإمكانية ، يمكن استخدام الجرافين لحماية المواد من الأكسدة دون التأثير بطريقة أخرى على كيفية تفاعلها مع الماء.

يكتشف المهندسون في معهد Rensselaer Polytechnic وجامعة رايس كيف تتيح النحافة الشديدة للجرافين شفافية ترطيب شبه مثالية

الجرافين هو أنحف مادة معروفة للعلم. المادة النانوية رقيقة جدًا ، في الواقع ، غالبًا ما لا يعرف الماء وجودها.

قام باحثو الهندسة في معهد Rensselaer Polytechnic وجامعة رايس بطلاء قطع من الذهب والنحاس والسيليكون بطبقة واحدة من الجرافين ، ثم وضعوا قطرة ماء على الأسطح المطلية. والمثير للدهشة أن طبقة الجرافين أثبتت عدم وجود تأثير فعلي لها على الطريقة التي ينتشر بها الماء على الأسطح.

نُشرت نتائج الدراسة يوم الأحد في مجلة Nature Materials. يمكن أن تساعد النتائج في إعلام جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية المرنة القائمة على الجرافين. بالإضافة إلى ذلك ، يقترح البحث نوعًا جديدًا من أنابيب الحرارة التي تستخدم النحاس المطلي بالجرافين لتبريد رقائق الكمبيوتر.

نشأ هذا الاكتشاف من تعاون عبر الجامعات بقيادة البروفيسور رينسيلار نيخيل كوراتكار والبروفيسور رايس بوليكل أجيان.

“قمنا بتغطية العديد من الأسطح المختلفة بالجرافين ، ثم وضعنا عليها قطرة ماء لنرى ما سيحدث. ما رأيناه كان مفاجأة كبيرة – لم يتغير شيء. قال كوراتكار ، عضو هيئة التدريس في قسم الهندسة الميكانيكية والفضائية والنووية وقسم علوم وهندسة المواد في Rensselaer ، “كان الجرافين شفافًا تمامًا للمياه”. “كانت الطبقة المفردة من الجرافين رقيقة جدًا لدرجة أنها لم تعطل بشكل كبير قوى فان دير فال غير الرابطة التي تتحكم في تفاعل الماء مع السطح الصلب. إنه اكتشاف مثير ومثال آخر على الخصائص الفريدة وغير العادية للجرافين “.

تم تفصيل نتائج الدراسة في ورقة Nature Materials بعنوان “ترطيب شفافية الجرافين”.

أساسًا طبقة معزولة من الجرافيت توجد بشكل شائع في أقلام الرصاص أو الفحم الذي نحرقه في حفلات الشواء ، الجرافين هو طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة مثل سياج من الأسلاك النانوية . من المعروف أن الجرافين له خصائص ميكانيكية ممتازة. المادة قوية وصلبة وبسبب مرونتها يمكن أن تغطي أي سطح تقريبًا بالتساوي. يرى العديد من الباحثين وقادة التكنولوجيا أن الجرافين مادة تمكينية يمكنها أن تقدم بشكل كبير ظهور الأجهزة والشاشات المرنة الرقيقة والورقية. يستخدم الجرافين كطلاء لمثل هذه الأجهزة ، وبالتأكيد سيتلامس مع الرطوبة. كان فهم كيفية تفاعل الجرافين مع الرطوبة هو الدافع وراء هذه الدراسة الجديدة.

يسمى انتشار الماء على سطح صلب بالترطيب. يتضمن حساب قابلية البلل وضع قطرة ماء على سطح ما ، ثم قياس الزاوية التي تلتقي عندها القطرة بالسطح. سوف تتراكم القطرة وتكون لها زاوية تلامس عالية على سطح كاره للماء. بشكل عكسي ، ستنتشر القطرة وتكون لها زاوية تلامس منخفضة على سطح محب للماء.

زاوية التلامس مع الذهب حوالي 77 درجة. وجد كوراتكار وأجيان أنه بعد طلاء سطح ذهبي بطبقة واحدة من الجرافين ، أصبحت زاوية التلامس حوالي 78 درجة. وبالمثل ، ارتفعت زاوية التلامس للسيليكون من 32 درجة تقريبًا إلى 33 درجة تقريبًا ، وزاد النحاس من حوالي 85 درجة إلى حوالي 86 درجة ، بعد إضافة طبقة من الجرافين.

هذه النتائج فاجأت الباحثين. الجرافين غير منفذ للماء ، لأن المسافات الصغيرة بين ذرات الكربون المرتبطة به صغيرة جدًا بالنسبة للماء ، أو بروتون واحد ، أو أي شيء آخر لا يمكن ملاءمته. لهذا السبب ، يتوقع المرء أن الماء لن يعمل كما لو كان على الذهب أو السيليكون أو النحاس ، لأن طلاء الجرافين يمنع الماء من الاتصال المباشر بهذه الأسطح. لكن نتائج البحث تُظهر بوضوح كيف أن الماء قادر على الشعور بوجود السطح السفلي ، وينتشر على تلك الأسطح كما لو لم يكن الجرافين موجودًا على الإطلاق.

مع زيادة عدد طبقات الجرافين ، أصبح الجرافين أقل شفافية للماء وزوايا التلامس تقفز بشكل ملحوظ. بعد إضافة ست طبقات من الجرافين ، لم يعد الماء يرى الذهب أو النحاس أو السيليكون وبدلاً من ذلك يتصرف كما لو كان جالسًا على الجرافيت.

سبب هذا السلوك المحير خفي. يشكل الماء روابط كيميائية أو هيدروجينية مع أسطح معينة ، في حين أن جاذبية الماء للأسطح الأخرى تمليه تفاعلات غير مرتبطة تسمى قوى فان دير فال. قال كوراتكار إن قوى عدم الترابط هذه لا تختلف عن نسخة الجاذبية النانوية. على غرار كيف تملي الجاذبية التفاعل بين الأرض والشمس ، فإن قوى فان دير فالس تملي التفاعل بين الذرات والجزيئات.

في حالة الذهب والنحاس والسيليكون والمواد الأخرى ، تحدد قوى فان دير فال بين السطح وقطرة الماء انجذاب الماء إلى السطح وتملي كيفية انتشار الماء على السطح الصلب. بشكل عام ، هذه القوى لها مدى لا يقل عن عدة نانومتر. وبسبب المدى الطويل ، فإن هذه القوى لا تتعطل بسبب وجود طبقة واحدة من ذرة سميكة من الجرافين بين السطح والماء. وبعبارة أخرى ، فإن قوى فان دير فال قادرة على “النظر من خلال” طلاءات الجرافين الرقيقة للغاية ، على حد قول كوراتكار

إلى جانب إجراء التجارب الفيزيائية ، تحقق الباحثون من نتائجهم من خلال نمذجة الديناميكيات الجزيئية وكذلك النمذجة النظرية الكلاسيكية.

“وجدنا أن قوى فان دير فالس لا تتعطل بفعل الجرافين. وقال كوراتكار إن هذا التأثير ناتج عن النحافة الشديدة للجرافين – التي لا يتجاوز سمكها 0.3 نانومتر. “لا شيء يمكن أن ينافس نحافة الجرافين. ولهذا السبب ، يعد الجرافين المادة المثالية لترطيب شفافية الزاوية “.

وقال: “علاوة على ذلك ، فإن الجرافين قوي ومرن ، ولا يتشقق أو يتفكك بسهولة”. “بالإضافة إلى ذلك ، من السهل طلاء السطح بالجرافين باستخدام ترسيب البخار الكيميائي ، كما أنه من غير المعقد نسبيًا ترسيب طبقات الجرافين الموحدة والمتجانسة على مساحات كبيرة. أخيرًا ، الجرافين خامل كيميائيًا ، مما يعني أن طلاء الجرافين لن يتأكسد بعيدًا. لا يوجد نظام مادة واحد يمكنه توفير جميع السمات المذكورة أعلاه التي يستطيع الجرافين تقديمها “.

يتمثل التطبيق العملي لهذا الاكتشاف الجديد في طلاء الأسطح النحاسية المستخدمة في مزيلات الرطوبة. يتأكسد النحاس الموجود في أنظمة إزالة الرطوبة بسبب تعرضه للماء ، مما يقلل بدوره من قدرته على نقل الحرارة ويجعل الجهاز بأكمله أقل كفاءة. قال الباحثون إن طلاء النحاس بالجرافين يمنع الأكسدة ، ولا يتأثر تشغيل الجهاز لأن الجرافين لا يغير طريقة تفاعل الماء مع النحاس. قال كوراتكار إن هذا المفهوم نفسه يمكن تطبيقه لتحسين قدرة أنابيب الحرارة على تبديد الحرارة من رقائق الكمبيوتر.

“إنها فكرة مثيرة للاهتمام. لا يتسبب الجرافين في أي تغيير كبير في قابلية النحاس للبلل ، وفي الوقت نفسه يخفف سطح النحاس ويمنعه من التأكسد “.