Nanotecnologia

Grafeno é invisível para a água

Grafeno é invisível para a água
A gota de água "ignora" o grafeno, comportando-se como se ele não estivesse lá. [Imagem: Rice University]

Transparência à água

O grafeno é um dos materiais mais finos conhecidos pela ciência.

Na verdade, o nanomaterial é tão fino que a água nem sequer percebe que ele está lá.

Engenheiros do Instituto Politécnico Rensselaer e da Universidade de Rice, ambos nos EUA, descobriram como a magreza extrema do grafeno permite que ele apresente uma "transparência à água" quase perfeita.

Eles revestiram pastilhas de ouro, cobre e silício com uma camada de grafeno, e depois colocaram uma gota de água sobre essas superfícies revestidas.

Surpreendentemente, a camada de grafeno não teve praticamente nenhum impacto sobre a forma com que a água se espalha sobre as superfícies.

A descoberta pode ajudar a criar uma nova geração de dispositivos eletrônicos flexíveis baseados em grafeno.

Além disso, a pesquisa sugere um novo tipo de trocador de calor que usa cobre revestido com grafeno para resfriar chips de computador.

Impermeável

Os resultados surpreenderam os pesquisadores porque o grafeno é impermeável.

Os espaços minúsculos entre seus átomos de carbono são pequenos demais para que a água, ou qualquer outra coisa, mesmo um único próton, possa passar.

Devido a isso, seria de se esperar que a água apresentasse um comportamento diferente de quando ela é posta sobre uma superfície nua de ouro, silício ou cobre, uma vez que o revestimento de grafeno impede a água de contactar diretamente essas superfícies.

Mas os resultados da pesquisa mostram claramente como a água é capaz de perceber e reagir à superfície abaixo, ignorando totalmente o grafeno.

Grafeno é invisível para a água
Esta simulação com 4.000 moléculas de água mostra a alteração de comportamento conforme são adicionadas novas camadas de grafeno. [Imagem: Rensselaer/Koratkar]

Molhabilidade

A "molhabilidade" de uma superfície é calculada medindo o ângulo com que uma gota de água adere à superfície.

O ângulo de contato da água com o ouro é de 77 graus - com o ouro revestido com grafeno, o ângulo foi de 78 graus. A molhabilidade do silício é de 32 graus, e de 33 graus com o silício revestido com o grafeno. Para o cobre, o dado é de 85 graus e 86 graus, respectivamente.

Conforme os pesquisadores aumentaram o número de camadas de grafeno, no entanto, ele tornou-se menos transparente para a água, e os ângulos de contato começaram a se elevar significativamente.

Após a adição de seis camadas de grafeno, a água já não via o ouro, o cobre ou o silício, comportando como se estivesse depositada sobre o grafite - que é uma coleção de folhas empilhadas de grafeno.

Forças de van der Waals

A razão para este comportamento desconcertante é sutil.

A água forma ligações de hidrogênio com determinadas superfícies, enquanto a atração da água para outras superfícies é ditada por uma interação física, chamada força de van der Waals.

Semelhante à forma como a gravidade dita a interação entre a Terra e o Sol, as forças de van der Waals ditam a interação entre átomos e moléculas.

No caso do ouro, cobre, silício e outros materiais, as forças de van der Waals entre a superfície e a gota de água determinam a atração da água à superfície e ditam como a água se espalha sobre a superfície sólida.

Grafeno é invisível para a água
Uma aplicação prática desta nova descoberta será no revestimento das superfícies de cobre usadas em desumidificadores. [Imagem: Rensselaer/Koratkar]

Em geral, essas forças têm um alcance de pelo menos alguns nanômetros.

Devido a esse raio de ação de longo alcance, estas forças não são afetadas pela presença de uma única camada de um átomo de espessura de grafeno entre a superfície e a água.

Em outras palavras, as forças de van der Waals são capazes de "olhar através" dos revestimentos ultra-finos de grafeno.

Desumidificadores e processadores de computador

Uma aplicação prática desta nova descoberta será no revestimento das superfícies de cobre usadas em desumidificadores.

Devido à sua exposição à água, o cobre se oxida, o que diminui sua capacidade de transferência de calor, tornando o equipamento menos eficiente.

Revestir o cobre com grafeno previne a oxidação, segundo os pesquisadores, e a operação do aparelho não será afetada porque o grafeno não muda a forma como a água interage com o cobre.

Este mesmo conceito pode ser aplicado para melhorar a capacidade de tubos de calor para dissipar o calor de processadores de computador.

Bibliografia:

Wetting transparency of graphene
Javad Rafiee, Xi Mi, Hemtej Gullapalli, Abhay V. Thomas, Fazel Yavari, Yunfeng Shi, Pulickel M. Ajayan, Nikhil A. Koratkar
Nature Materials
22 January 2012
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/NMAT3228




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