Εξαφανιζόμενο στρώμα φυσαλίδων αέρα και προσρόφηση ιόντων σε γραφένιο σε υδατικά μέσα
Οι πιθανές εφαρμογές του γραφενίου σε βιοαναλυτικές συσκευές και λειτουργικά σύνθετα υλικά έχουν προσελκύσει πρόσφατα μεγάλη προσοχή. Για αυτές τις εφαρμογές, το γραφένιο χρειάζεται συχνά να εκτίθεται ή σε στενή επαφή με υδατικά συστήματα που περιέχουν ιόντα και βιο(μακρο)μόρια.
Επομένως, η κατανόηση της επιφανειακής δομής του γραφενίου σε υδατικά μέσα είναι σημαντική. Έχουν αναφερθεί αρκετές μελέτες σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ βιομορίων και γραφενίου και των παραγώγων του σε υδατικά μέσα. Ωστόσο, οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές τις μελέτες παρείχαν περιορισμένες δομικές πληροφορίες για το προσροφημένο μοριακό στρώμα στη θαμμένη διεπαφή γραφενίου-νερού.
Η ανακλαστικότητα ακτίνων Χ σύγχροτρον (XRR) είναι μια ποσοτική τεχνική για την αποκάλυψη των δομικών πληροφοριών σε τέτοιες θαμμένες διεπαφές. Το πρόσφατο έγγραφό μας ανέφερε πρωτόγνωρα αποτελέσματα σχετικά με τη δομή της ίδιας παρτίδας δειγμάτων γραφενίου στον αέρα, χρησιμοποιώντας XRR μαζί με διάφορες συμπληρωματικές μεθόδους, καταδεικνύοντας περαιτέρω τη σκοπιμότητα του XRR για ανίχνευση της διεπιφανειακής δομής του γραφενίου. Σε αυτή τη μελέτη, το synchrotron XRR (European Synchrotron Radiation Facility beamline BM28; ενέργεια 14 keV) έχει εφαρμοστεί για τη διερεύνηση του γραφενίου CVD στο SiO2 (χρησιμοποιείται ευρέως από την ερευνητική κοινότητα για ιδιότητες και εφαρμογές γραφενίου), όταν το γραφένιο βυθίστηκε σε νερό και ρυθμισμένο με φωσφορικά αλατούχο διάλυμα (PBS) στους 25-60 °C. Έχουν επίσης πραγματοποιηθεί μετρήσεις γωνίας επαφής για την αξιολόγηση της διαβρεξιμότητας του γραφενίου και επιχειρήθηκε απεικόνιση με μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) για συμπληρωματικές τοπογραφικές πληροφορίες.
Η προσαρμογή της πυκνότητας μήκους σκέδασης (SLD) στις καμπύλες XRR στο γραφένιο έδειξε την παρουσία ενός στρώματος διάχυτης φυσαλίδας αέρα (SLD ρ d =6,72×10 Å, πάχος t d =84,9 Å και τραχύτητα R a,d =31,9 Å) πάνω από το γραφένιο κατά την αρχική βύθιση στο νερό (Εικ. 1α). Αντίθετα, η απεικόνιση AFM παρείχε ασαφείς τοπογραφικές πληροφορίες λόγω των εγγενών πειραματικών δυσκολιών, αλλά τα αποτελέσματα ήταν συνεπή με μια ανομοιογενή διεπαφή.
Είναι ενδιαφέρον ότι το διάχυτο στρώμα φυσαλίδων αέρα μειώθηκε αφού το γραφένιο βυθίστηκε στο νερό για 24 ώρες στους 25 °C. Αυτό είναι επίσης εμφανές από την ενισχυμένη διαβρεξιμότητά του, με τη γωνία επαφής του νερού στο γραφένιο να μειώνεται από 84,9±0,4° σε 55,6±0,4° μετά τη βύθιση (Εικ. 1β). Επιπλέον, ένα επιπλέον νανοστοιβάδα 10,1 Å εμφανίστηκε στην κορυφή του γραφενίου μετά από εμποτισμό σε θερμοκρασία δωματίου. Το πάχος αυτής της νανοστοιβάδας αυξήθηκε στα 11,8 Å καθώς το γραφένιο θερμάνθηκε στους 60 °C σε ρυθμιστικό διάλυμα PBS και διατηρήθηκε κατά την ψύξη στη θερμοκρασία δωματίου. Αποδίδουμε αυτό το νανοστοιβάδα στην προσρόφηση ιόντων στο γραφένιο από το PBS (Εικ. 1β), μια διαδικασία που ενισχύθηκε με θέρμανση. Αυτή η προσρόφηση ιόντων θα εκδηλωθεί ως αποτέλεσμα μιας σειράς περιβαλλοντικών διεγέρσεων, όπως η κινητικότητα ιόντων ενισχυμένη από τη θερμοκρασία, ο πιθανός σχηματισμός στρώματος σιλανόλης στο SiO2 υποστρώματος και διαταραχή της δομής του νερού σε υψηλότερες θερμοκρασίες στη διεπαφή γραφενίου/νερού.
Αυτά τα άνευ προηγουμένου αποτελέσματα υποδεικνύουν την περίπλοκη διεπιφανειακή δομή του γραφενίου σε επαφή με υδατικά μέσα και την πιθανή δομική εξέλιξη ως απόκριση στο περιβάλλον. Τέτοιες πληροφορίες σχετίζονται με βιοαναλυτικές και νανοτεχνολογικές εφαρμογές του γραφενίου, στις οποίες η δομή του στη διεπαφή μεταξύ νερού και διαλυμάτων ηλεκτρολυτών αποτελεί σημαντικό παράγοντα για την αποτελεσματικότητα και τη λειτουργικότητα των συσκευών ή των διαδικασιών.
Αναφορές:
- Briscoe, W. H., Speranza, F., Li, P. X., Konovalov, O., Bouchenoire, L., van Stam, J., Klein, J., Jacobs, R. M. J. &Thomas, R. K. Synchrotron XRR μελέτη μαλακών νανοφίλμ στη διεπαφή μαρμαρυγίας-νερού. Soft Matter 8, 5055-5068 (2012)
- Speranza, F., Pilkington, G. A., Dane, T. G., Cresswell, P. T., Li, P. X., Jacobs, R. M. J., Arnold, T., Bouchenoire, L., Thomas, R. K. &Briscoe, W. H. Ηρεμία διστρωματικά μίλια στα -διασύνδεση νερού. Soft Matter 9, 7028-7041 (2013)
- Zhou, L., Fox, L., Włodek, M., Islas, L., Slastanova, A., Robles, E., Bikondoa, O., Harniman, R., Fox N., Cattelan, M ., Briscoe, W.H. “Surface structure of few layer graphene”, Carbon 136, 255-261 (2018)
- Zhou, L., Islas, L., Taylors, N., Robles, E., Bikondoa, O., Briscoe, W.H. «Δομή επιφάνειας γραφενίου σε υδατικά μέσα:Στοιχεία για στρώμα φυσαλίδων αέρα και προσρόφηση ιόντων», Carbon 143, 97-105 (2019)
