Grafen – pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w strukturę plastra miodu – od momentu swojego odkrycia budzi fascynację ze względu na wyjątkowe właściwości elektryczne, mechaniczne i optyczne. Jest elastyczny, wytrzymały, przewodzi prąd lepiej niż miedź, a jego grubość sprawia, że stanowi idealny model do badania zjawisk w nanoskali. Teraz okazuje się, że ten “cudowny materiał” ma jeszcze jedną, bardziej subtelną cechę – częściową przezroczystość wobec sił van der Waalsa, które odpowiadają za przyciąganie pomiędzy cząsteczkami i powierzchniami.
Czytaj też: Elektrony przekroczyły barierę dźwięku w grafenie. Elektronika już nigdy nie będzie taka sama
Zespół naukowców z Uniwersytetu Pekińskiego, Nankińskiego Uniwersytetu Lotnictwa i Astronautyki oraz Uniwersytetu Tsinghua postanowił sprawdzić, czy dwuwymiarowe systemy grafenowe całkowicie przekazują, częściowo osłaniają, czy też całkowicie blokują te słabe, lecz wszechobecne oddziaływania. Wyniki przeczą prostym założeniom – grafen wcale nie jest przezroczysty, a jego “filtracja” sił zależy od liczby warstw i dystansu między powierzchniami.
Jak grafen filtruje siły natury
Jak wyjaśnia dr Zhaohe Dai, główny autor pracy, inspiracją był wieloletni spór znany w fizyce materiałów jako tzw. przezroczystość zwilżania (ang. wetting transparency) grafenu. Naukowcy od ponad dekady zastanawiali się, czy kąt zwilżania podłoża przez kroplę wody pozostaje taki sam, jeśli powierzchnię pokryje się jedną warstwą grafenu. Różne zespoły raportowały sprzeczne wyniki: jedni twierdzili, że grafen jest w pełni przezroczysty, inni – że tylko częściowo, a jeszcze inni – że całkowicie blokuje oddziaływania.
Czytaj też: Defekty, które czynią cuda. Grafen staje się dzięki nim materiałem nie z tej Ziemi
Dr Zhaohe Dai mówi:
Społeczność naukowa zrozumiała z czasem, że u podstaw tego problemu leży pytanie bardziej fundamentalne: w jaki sposób powłoka z pojedynczej warstwy atomów modyfikuje energię powierzchniową podłoża?
Tradycyjne eksperymenty zwilżania, oparte na obserwacji zachowania cieczy na ciałach stałych, okazały się zbyt złożone, by dać jednoznaczną odpowiedź. Dlatego zespół sięgnął po metodę pozwalającą mierzyć siły van der Waalsa bez udziału cieczy – przy pomocy mikroskopii sił atomowych (AFM) z sondą koloidalną.
Do końcówki ramienia mikroskopu przymocowali mikrosferę krzemionkową o dokładnie znanych wymiarach i sztywności, tworząc skalibrowaną sondę pomiarową. W warunkach ultraniskiej wilgotności – poniżej 10 proc. – zbliżali tę sondę do dwóch typów próbek: jednej z grafenem wspartym na podłożu z dwutlenku krzemu (SiO2) oraz drugiej, w której grafen był zawieszony nad maleńkimi wnękami.
Dzięki temu mogli porównać, jak bardzo podłoże wpływa na siły przyciągania w obu konfiguracjach. Wykonali dwa rodzaje testów: “pull-off”, czyli pomiar siły potrzebnej do oderwania sfery od powierzchni, oraz “pull-in”, w którym badano, jak rośnie siła przyciągania w miarę zbliżania sondy do próbki. To właśnie te drugie pomiary dały najbardziej precyzyjne dane, pozwalając obliczyć tzw. współczynnik przezroczystości – wartość określającą, jaka część siły van der Waalsa podłoża jest “widoczna” przez film grafenowy złożony z n warstw atomowych.
Okazało się, że grafen przepuszcza od 15 do 50 proc. sił van der Waalsa, a przy najmniejszej odległości – ok. 5 nm – nawet 85 proc.
Dr Zhaohe Dai dodaje:
Najważniejsze odkrycie to fakt, że przezroczystość grafenu wobec tych oddziaływań nie jest stała. Zależy zarówno od grubości powłoki, jak i od odległości między powierzchniami.
W praktyce oznacza to, że w nanosystemach grafenowych można precyzyjnie regulować siły adhezji czy przyciągania między warstwami, manipulując liczbą warstw i dystansem. To z kolei ma ogromne znaczenie dla projektowania układów elektronicznych, fotonicznych i czujników opartych na materiałach 2D, w których siły van der Waalsa często determinują stabilność i wydajność urządzenia.
Badanie opublikowane w Physical Review Letters nie tylko rozstrzyga spór o “przezroczystość” grafenu, ale także proponuje spójne ramy teoretyczne i eksperymentalne do analizy sił van der Waalsa w materiałach dwuwymiarowych. Zespół Dai planuje teraz wykorzystać zdobytą wiedzę do projektowania powierzchni krzemionkowych – powszechnie stosowanych w elektronice i fotonice – z precyzyjnie dobranymi właściwościami adhezyjnymi.