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Los materiales súper hidrofóbicos tienen una gran demanda, ya que pueden usarse en diversas aplicaciones de alta gama. La topografía de la superficie y la hidrofobicidad química de estos materiales juegan un papel crucial para lograr la superhidrofobicidad.
a No humectante sobre Teflon™ rígido y sobre una superficie recubierta con una película delgada de Teflon™, b No humectante sobre lecho ungueal de Teflon™ texturizado súper hidrofóbico, c No humectante sobre material rígido para uñas muy caliente , i Humectación de la película delgada hidrofóbica de Teflon™ que envuelve la gota como en el origami capilar20, e humectación sobre grafeno multicapa suspendido y sobre soporte, y f humectación sobre grafeno monocapa soportado y no humectación sobre grafeno monocapa suspendido donde la gota no humectante se pasa resaltado con un círculo rojo discontinuo. Crédito de la foto: Wang, H et al. (2022)
Un artículo publicado en Communications Materials demostró la formación de gotas inducidas por condensación con altas propiedades no humectantes y ángulos de contacto de alrededor de 180 grados en una monocapa de grafeno expuesta a un ambiente húmedo en ambos lados.
Se permitió que las gotas se condensaran simultáneamente en grafeno monocapa (suspendido y soportado) y multicapa (suspendido y soportado) para observar su comportamiento de no humectación. Los resultados mostraron que este comportamiento era exclusivo del grafeno monocapa suspendido.
Los resultados de la investigación indican que puede ocurrir un fuerte comportamiento de no humectación debido a las interacciones entre las moléculas líquidas a través de la monocapa de grafeno suspendida que se ha separado del sustrato a granel, lo que produce un comportamiento de no humectación más alto que en superficies de monocapa con soporte hidrofóbico lisas o atómicamente planas.
¿Qué son los materiales superhidrofóbicos?
Los materiales compuestos con propiedades superhidrofóbicas han sido ampliamente estudiados debido a sus excelentes características como autolimpieza, corrosión impedida y aplicación en dispositivos electrónicos resistentes al agua. Las propiedades repelentes al agua de las hojas de loto han motivado a los científicos a desarrollar materiales con una repelencia al agua excepcional.
Las superficies superhidrofóbicas son facetas con un ángulo de contacto con el agua de 150 grados o más, y estos materiales se fabrican con suficiente abrasión superficial y mínima energía superficial. El régimen superhidrofóbico es fundamental, ya que experimenta una perfecta capacidad de no humectación con un ángulo de contacto con el agua excepcionalmente mayor que hace que las gotas de agua rueden.
El grafeno es un alótropo de carbono que se aisló mediante exfoliación mecánica a principios de la década de 2000. Es una delgada película monoatómica de carbono dispuesta en una red cristalina de panal hexagonal. Tiene propiedades únicas derivadas de su estructura bidimensional (2D) y la existencia de sp2-átomos de carbono enlazados.
Se espera que el grafeno tenga un futuro mejor para la fabricación de varios dispositivos de ingeniería basados en carbono debido a su conductividad superior a temperatura ambiente y su inercia frente a la corrosión. La humectabilidad de la superficie del grafeno se ha discutido ampliamente en informes anteriores y se han hecho muchos esfuerzos para controlarla modificando su superficie.
Aumentar la proporción de la interfaz líquido-vapor y reemplazar la interfaz sólido-líquido es un método común para lograr una excelente repelencia al agua. Los ángulos de contacto de diferentes líquidos en las superficies planas se limitaron a 120 grados.
Sin embargo, la presencia de micro o nanoestructuras es un requisito previo para dotar a las superficies de propiedades superhidrofóbicas. Estas superficies dificultan la penetración capilar al manipular la estructura de la superficie o la humectabilidad inherente de la superficie más externa.
Gotas inducidas por condensación en la superficie de grafeno
En este estudio, el grafeno se fabricó en forma de monocapas y multicapas sobre un sustrato de silicio estampado con trincheras y agujeros. El grafeno de una sola capa suspendido mostró una transparencia humectante casi sin interacciones con el agua en la parte superior.
Las observaciones experimentales de gotas del tamaño de micras/picolitros condensadas en una monocapa de grafeno suspendido revelaron gotas no humectantes con ángulos de contacto de 175 grados, mientras que se observaron gotas humectantes con ángulos de contacto de aproximadamente 90 grados en la monocapa soportada y el grafeno multicapa soportado y suspendido.
Las observaciones simultáneas de la monocapa suspendida y apoyada en el grafeno multicapa y las implicaciones adicionales para la calidad de la muestra y la fijación mostraron que la no humectación de las gotas de agua en una monocapa lisa con ángulos de contacto es mayor que la del teflón.TMpodría ser factible en el caso del grafeno al eliminar las interacciones agua-superficie más allá de la primera capa superficial.
Además, a medida que las moléculas de vapor de agua se condensaban, formaban una capa ordenada que interactuaba entre sí a ambos lados del grafeno suspendido. Esto protegió a las moléculas de agua de condensación de interactuar con el grafeno, lo que resultó en gotas esféricas con baja energía superficial. Esto demostró que el ángulo de contacto más alto alcanzable en una superficie hidrofóbica lisa no se limitaba al teflón.TM.
Conclusión
En resumen, la humectabilidad intrínseca de la monocapa de grafeno suspendida se confirmó experimentalmente al observar la condensación de gotas de micras/picolitros en la monocapa de grafeno. Los resultados experimentales confirmaron la influencia de la topología de la superficie en el ángulo de contacto, observándose gotas no humectantes con ángulos de contacto de 175 grados en una monocapa de grafeno suspendida y lisa.
Por otro lado, las gotas en la monocapa soportada y el grafeno multicapa suspendido y soportado tenían ángulos de contacto por debajo de los 90 grados. Los resultados de la investigación mostraron que la eliminación de las interacciones agua-superficie más allá de la primera capa superficial fue favorable para lograr el comportamiento de no humectación de las gotas de agua en una monocapa de grafeno suave.
Estos resultados ofrecieron una nueva forma de controlar la humectabilidad utilizando grafeno suspendido. Aún así, se necesita más investigación sobre materiales de monocapa alternativos que se puedan lograr manipulando el entorno detrás de la capa de grafeno suspendida, posiblemente usando microfluidos.
Relación
Wang, H. et al. (2022). No humectación de gotas inducidas por condensación en grafeno suspendido monocapa suave con un ángulo de contacto cercano a los 180 grados. materiales de comunicación. https://doi.org/10.1038/s43246-022-00294-8
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