p (Phys.org) - Os cientistas observaram há muito tempo que a molhabilidade do grafeno - um alótropo cristalino essencialmente bidimensional de carbono que interage estranhamente com a luz e com outros materiais - pode ser revertida entre os estados hidrofóbico e hidrofílico aplicando ultravioleta (UV) irradiação. Contudo, uma explicação para esse comportamento permaneceu indefinida. Recentemente, pesquisadores da University of New South Wales e da University of Technology, Sydney investigando este fenômeno experimentalmente e por cálculos usando a teoria do funcional da densidade (DFT) - um método de modelagem mecânica quântica computacional - descobrindo que a irradiação UV permite esta transição reversível e controlável em filmes de grafeno tendo defeitos induzidos por adsorção por divisão de água na superfície de grafeno de H ₂ Moléculas de O no ar. ( Rachadura de água é a reação quimicamente dissociativa na qual a água é separada em hidroxila e hidrogênio; hidroxila é um grupo funcional químico contendo um átomo de oxigênio conectado por uma ligação covalente a um átomo de hidrogênio; e adsorção é a adesão de átomos, íons, ou moléculas de um gás, líquido, ou sólido dissolvido em uma superfície.) p Os cientistas concluem que sua descoberta pode fornecer novos insights sobre os princípios fundamentais da separação da água com materiais à base de grafeno, e poderia, assim, levar a outras aplicações - incluindo eletrocatálise, nanomateriais; sistemas nanoeletromecânicos, biomateriais, dispositivos microfluídicos, sistemas orgânicos híbridos, e outros sistemas multifuncionais avançados.

p Dr. Zhimin Ao discutiu o artigo que ele, Doutoranda Zhemi Xu e seus co-autores publicados em Relatórios Científicos e os principais desafios enfrentados pelos pesquisadores. “O principal desafio - e a motivação para a realização do estudo - foi revelar o verdadeiro mecanismo de transição reversível da molhabilidade sob irradiação UV e isolá-lo de várias razões possíveis, como a contaminação de produtos químicos em amostras ou induzida por moléculas no ar, "Ao conta Phys.org . "Também tivemos que identificar H ₂ O, em vez de outras moléculas possíveis no ar, que contribui para a transição de molhabilidade sob irradiação UV. "Após determinar a contribuição de H ₂ O, ele adiciona, outro desafio era entender o tipo de adsorção de H ₂ O para a transição de molhabilidade - isto é, adsorção química ou física.

p "Em segundo lugar, "Ao continua, "para eliminar as desvantagens do doping químico e defeitos induzidos - como moléculas orgânicas na amostra de grafeno - que pode ser um fator importante na transição de molhabilidade do grafeno sob UV, as amostras foram armazenadas por duas horas em vácuo para remover contaminantes da superfície de grafeno. "Como resultado, a maioria dos defeitos de grafeno restantes, como vagas, bordas e limite de grão, estaria lá devido ao processo de síntese.

p "De acordo com nossos cálculos, sobre defeitos de vagas, borda e limite de grão, a divisão da água pode ser mais fácil de alcançar. Contudo, outros defeitos também podem afetar a molhabilidade do grafeno, como dopagem de alumínio, que foi relatado por outro jornal ¹ do meu grupo. "

p A principal técnica que os pesquisadores usaram para enfrentar esses desafios foi combinar cálculos experimentais e de primeiros princípios. "Em nosso experimento, demonstramos que a molhabilidade do grafeno pode ser reversivelmente ajustada por meio de irradiação UV no ar e armazenamento a vácuo, "Diz Ao." Além disso, cálculos computacionais nos permitem entender o efeito exato de cada fator individual. "Depois de comparar seus resultados experimentais e de cálculo, os cientistas descobriram que os espectros Raman do experimento eram semelhantes aos de H ₂ O adsorção dissociativa em grafeno. (Na pesquisa de grafeno, A espectroscopia Raman é usada para determinar o número e a orientação das camadas, a qualidade e os tipos de borda, e os efeitos das perturbações, como campos elétricos e magnéticos, cepa, e doping.) Além disso, eles também consideraram irradiações em diferentes condições, como em O ₂ e H ₂ Ó ambientes ricos, e descobri que H ₂ A concentração de O afetou claramente a mudança de molhabilidade do grafeno após a irradiação. "Portanto, "Ao acrescenta, "concluímos que H ₂ A adsorção dissociativa no grafeno induz a transição reversível de molhabilidade. "

p A aplicação direta para esta abordagem é a divisão da água - uma etapa muito importante, por exemplo, geração de hidrogênio:usando a técnica neste trabalho, H ₂ Moléculas O podem ser facilmente divididas em OH ^- e H ⁺ grupos e adsorvidos em grafeno induzido por defeito sob irradiação UV. Após a irradiação, os dois grupos podem ser facilmente dessorvidos do grafeno e produzir hidrogênio, permitindo que o grafeno seja usado continuamente como um catalisador para a divisão da água.

p Ao ressalta que ao fabricar dispositivos baseados em grafeno - por exemplo, células solares - a fabricação de materiais camada por camada é necessária. "O grafeno hidrofílico é mais facilmente modificado e combinado com outros materiais do que o grafeno hidrofóbico. Por exemplo, no caso de biomateriais, o grafeno hidrofílico seria desejável para o contato da biomolécula. "

p Acontece que alcançar a molhabilidade reversível do grafeno pode ser realizada usando outras técnicas, incluindo campos elétricos externos, tratamento de plasma, Campos magnéticos, e difração de nêutrons. "Na realidade, o trabalho para alcançar a molhabilidade reversível do grafeno usando campos elétricos externos também foi relatado ² pelo meu grupo com base em cálculos de primeiro princípio. Comparado com o uso de campos elétricos externos, A irradiação UV é facilmente realizada em experimentos, enquanto um campo elétrico muito alto é necessário para realizar a transição de molhabilidade, "observando que um experimento sob um forte campo elétrico está em andamento." O plasma tem energia ainda maior, e pode induzir mais defeitos no grafeno. Contudo, o processo de tratamento com plasma é mais complicado e tem maiores requisitos. "

p Olhando para a frente, Ao observa que eles precisam esclarecer ainda mais o mecanismo para a transição hidrofóbica para hidrofílica do grafeno sob irradiação UV, porque o último pode induzir defeitos de grafeno. "Embora se acreditasse que a irradiação UV induzia defeitos no grafeno, o problema é que esses defeitos não são óbvios porque essa fonte de energia não é forte o suficiente. Para esclarecer ainda mais o mecanismo de molhabilidade reversível, podemos usar diferentes fontes de energia para investigar a transição, como raios-X e difração de nêutrons. ”Eles também planejam investigar mudanças de condutividade e propriedades de transporte sob irradiação UV.

p "Filme de grafeno de alta condutividade elétrica com alta hidrofilicidade é sempre desejável, "Ao conta Phys.org . "Contudo, essas duas propriedades normalmente resistem uma à outra. Ao trabalhar com dispositivos baseados em grafeno, explorar a variação da condutividade elétrica do grafeno em tais processos pode ajudar a controlar e equilibrar essas duas propriedades. "

p Outras áreas que podem se beneficiar de seu estudo, Ao conclui, incluem sensores e geração e armazenamento de hidrogênio. p © 2014 Phys.org