Cum controlează oxidul de grafenă modelul lăsat de o picătură care se usucă
O picătură de cafea care se usucă pe o suprafață lasă adesea un inel întunecat. Acest fenomen, cunoscut sub numele de efect de inel de cafea, apare deoarece, pe măsură ce apa se evaporă, particulele suspendate sunt transportate spre marginea picăturii. Pentru imprimarea cu jet de cerneală și pentru acoperiri de suprafață, un astfel de inel este de obicei nedorit: materialul trebuie să se depună într-un model controlat și previzibil.
Un studiu publicat în revista Langmuir arată că oxidul de grafenă poate produce două rezultate diferite la uscarea unei picături, în funcție de dimensiunea nanosheet-urilor și de cantitatea de oxigen atașată acestora. Depozitul rezultat poate semăna fie cu o pânză de păianjen, fie cu un mozaic. Rezultatul oferă o modalitate simplă de a controla aranjarea nanofullelor pe o suprafață, utilă pentru electronica imprimată, acoperiri și potențial pentru supercondensatori.
Un material de carbon cu proprietăți neobișnuite
Grafernul este o foaie de carbon cu grosimea unui singur atom, cunoscută pentru proprietățile electrice, termice și mecanice excepționale. Oxidul de grafenă este o formă modificată chimic a grafenului: grupuri care conțin oxigen îi decorează suprafața, făcând foile mai ușor de dispersat în apă. Combinația dintre proprietățile legate de conductivitate și compatibilitatea cu apa face oxidul de grafenă atractiv pentru imprimarea componentelor electronice.
În apă, foile de oxid de grafenă nu plutesc ca fulgi izolați, ci se pot organiza în straturi. Suspensia curge ca un lichid, dar foile păstrează un grad de ordine asociat de obicei cu cristalele. Astfel de materiale se numesc cristale lichide. Organizarea lor internă afectează nu doar modul în care curg, ci și ce devin după evaporarea apei.
Un material, două modele
Cercetătorii au urmărit să afle dacă pot controla depozitul final modificând două caracteristici ale foilor: dimensiunea și gradul de oxidare. Răspunsul este afirmativ. Foile mai mari, de aproximativ 2,2 micrometri, cu relativ puțin oxigen atașat, au produs dungi radiale subțiri care se întind din centru spre margine, dând picăturii uscate aspectul unei pânze de păianjen. Raportul carbon-oxigen pentru acest material a fost de 14,4.
Foile mai mici, de aproximativ 0,5 micrometri, cu mai mult oxigen pe suprafață, au produs un depozit diferit. În loc de dungi lungi, s-au format regiuni mici și strălucitoare distribuite pe picătură, asemănătoare plăcilor unui mozaic. Acest material a avut un raport carbon-oxigen mai mic, de 10,4, indicând o oxidare mai puternică.
De ce se schimbă modelul
Cheia stă în modul în care foile se asamblează înainte de uscare. Foile mari, slab oxidate, formează stive slab conectate. Ele tind să fie orientate în direcții similare, dar pozițiile lor nu sunt fixate rigid. O comparație utilă este cu o stivă de hârtie: foile sunt aliniate în linii mari, dar pot aluneca și se pot îndoi. Pe măsură ce evaporarea micșorează picătura, lichidul comprimă această asamblare slabă contra suprafeței. Asemenea hârtiei presate în mână, foile se încrețesc, iar aceste cute se adună în dungile radiale care creează modelul de pânză de păianjen.
Foile mici, puternic oxidate, se asamblează mai strâns. Ele sunt ordonate atât ca orientare, cât și ca poziție, mai puțin ca o stivă de hârtie și mai mult ca o stivă de cărămizi. Această structură este mai rigidă, astfel încât foile rezistă încrețirii cauzate de evaporare. În loc de pliuri lungi, depozitul se rupe în regiuni compacte, asemănătoare unui mozaic.
Testarea explicației
Pentru a verifica dacă această imagine corespunde structurii interne a suspensiilor, cercetătorii au combinat două măsurători. În primul rând, măsurătorile de împrăștiere a razelor X de mic unghi la sincrotron au permis investigarea aranjării foilor de oxid de grafenă. Măsurătorile au confirmat contrastul dintre asamblările slab organizate și cele puternic ordonate.
În al doilea rând, reologia, studiul modului în care materialele se deformează și curg, a relevat o diferență corespunzătoare în comportamentul mecanic. Foile slab legate nu puteau susține forfecarea și curgeau ușor, ca un lichid. Foile puternic legate răspundeau elastic, mai degrabă ca un solid moale. Cu alte cuvinte, ordinea internă a foilor stabilea caracterul mecanic al întregii suspensii, iar acest caracter mecanic ajuta la determinarea modelului lăsat pe suprafață.
