Ученые из Университет Райса разработали технологию и лабораторную установку, которая позволяет с помощью лазера создавать графеновые структуры и с помощью использования различных газов регулировать их отношение к воде от супергидрофильного до супергидрофобного. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

В зависимости от того, смачиваются материалы водой или нет, их относят к гидрофильным и гидрофобным. Степень гидрофильности материала определяется по краевому углу смачивания между жидкостью и твердой поверхностью. Если этот угол близок к 0 градусам, такая поверхность называется супергидрофильной, если больше 150 градусов — супергидрофобной.

С помощью представленной технологии ученые создали гидрофильный логотип своего университета на гидрофобном фоне. Yilun Li et al. / Advanced Materials, 2017

Краевой угол смачивания. Joris Gillis~commonswiki / Wikimedia Commons

Эти свойства жидкостей используютсяво многих областях техники, к примеру, в "микрофлюидных чипах, в которых имеются множество каналов для прохождения жидкости.

Ученые нашли относительно простой способ контролировать отношения графена к воде. Изначально, в 2014 году группа исследователей представила технологию получения графена из полимерной пленки. Ученые облучали полиимидную пленку лазерным лучом, и в точке контакта луча с пленкой полимер превращался в пористую структуру, состоящую из множества отдельных, хаотично расположенных одноатомных листов графена. Таким образом можно получать графеновые структуры заданной формы, например электрические контакты, так как графен проводит ток.

В работе 2014 года ученые получали графен на воздухе. Однако, впоследствии они решили изучить влияние различных газов на свойства получаемого материала. Исследователи обнаружили, что в атмосфере аргона или водорода полученный лазером графен имеет супергидрофобные свойства, а на воздухе или под действием чистого кислорода супергидрофильные. Исследование структуры показало явную корреляцию гидрофильности с количеством кислорода в конечном материале. Это объясняется тем, что связи между углеродом и кислородом более полярные, чем связи типа углерод-углерод и углерод-водород.

Ученые собрали лабораторную установку, которая позволила использовать полученные данные для создания гибридного материала с противоположным отношением к воде в разных его участках. Через камеру размером в несколько сантиметров продувался газ. В камере было проделано отверстие для лазерного луча, которое было изолировано с помощью окошка из прозрачного селенида цинка. 

Модель установки, собранной исследователями. Yilun Li et al. / Advanced Materials, 2017

Схематическое изображение установки, собранной исследователями. Yilun Li et al. / Advanced Materials, 2017

Установка, собранная исследователями. Yilun Li et al. / Advanced Materials, 2017

Процесс создания материала был следующим: в камеру помещалась полимерная пленка, подавался газ и лазер превращал выбранные областив гидрофобные или гидрофильные, в зависимости от поданного газа. Для того,чтобы показать возможность совмещения супергидрофобных и супергидрофильных свойств в одном материале ученые «нарисовали» супергидрофильный логотип своего университета на супергидрофобном фоне.

Исследователи считают, что их технология позволит легко создавать материалы для систем разделения воды, антиобледенительных поверхностей и даже суперконденсаторов.

В 2016 году физики разработали материал, который изменяет смачиваемость и адгезионные свойства под действием электрического тока.

Автор: Григорий Копиев