När vatten tillförs grafitoxid ändras avståndet mellan skikten gradvis

Fysiker från Umeå universitet och Humboldt-Universität i Berlin har löst en gåta som förbryllat i ett halvt sekel. De visar med hjälp av kraftfulla mikroskop att avståndet mellan grafitoxidlager gradvis ökar när vattenmolekyler tillförs. Det beror på att grafioxidens yta inte är helt plan utan varierar i tjocklek med ”kullar” och ”dalar” av nanostorlek. De nya rönen publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nano Letters.

– Nu kan vi bättre förstå mekanismerna när vätska infogas mellan lager av grafenoxid. Det ökar våra kunskaper om supertunna membran så att vi i framtiden kan designa nya typer av membran industriellt med genomträngningsegenskaper som kan fin-justeras med hjälp av tillsats av vatten och olika andra lösta gaser, säger Alexandr Talyzin, forskare vid institutionen för fysik.

Grafitoxid är ett unikt och användbart material, med många ovanliga egenskaper. Det kan lätt lösas upp i vatten och bilda ett enda atomlager av grafenoxidflak. De supertunna flaken kan sedan ordnas i flerskiktade membran med en unik förmåga att infoga olika vätskor mellan lagren.

Redan på 60-talet testades sådana membran för avsaltning av havsvatten och filtrering. Nyare studier visar att grafenoxidmembran också kan användas för att separera vätskor och gaser. Tunna grafenoxidfilmer kan separera tvåfaldiga gasblandningar med ganska hög verkningsgrad. Vad som är ännu mer intressant, är att separationsegenskaperna kan fin-justeras med hjälp av vattenånga.

Vattenmolekyler tränger lätt in mellan grafenoxidskikten och det är sedan länge känt att avståndet mellan grafenoxidskikten beror på fukthalten. Med enkel logik betyder det att avståndet mellan skikten bör förändras i steg motsvarande storleken på vattenmolekylen. Det som har förbryllat forskare i ett halvt sekel är att avståndet mellan skikten, mätt med diffraktionsmetoder, förändras gradvis proportionellt med fuktförändringen.

– Självklart kan vi inte sätta in kvartsstora molekyler eller halva molekyler. Så varför ser vi kontinuerliga förändringar i avståndet mellan grafenoxidskikten? Vi beslöt att studera lager av grafenoxid med moderna mikroskopiska metoder vilket konstigt nog inte gjorts tidigare.

Hittills har gåtan förklarats med ett fenomen kallat mellanlagring - en slumpmässig stapling av lager med olika antal vattenlager - och det som mätts genom diffraktion har varit ett genomsnittligt värde relaterat till olika proportioner mellan antal lager med olika grad av hydrering.

Den nya studien utförd av fysiker från Humboldt-Universität i Berlin tillsammans med Alexandr Talyzins forskargrupp vid Umeå universitet pekar på en annan förklaring. Med mikroskopi med mycket hög upplösning, Scanning Force Microscopy, kunde forskarna mäta det absoluta avståndet mellan två grafenoxidskikt och beräkna förändringar som en funktion av fuktighet.

– Avståndet mellan två grafenoxidskikt förändrades uppenbarligen gradvis, men förklaringen till denna effekt avslöjades vara nanometerstora områden som inte var lika fyllda med vatten. Naturligtvis var effekten av mellanlagring exkluderad i vårt försök eftersom vi endast studerade två skikt och ett enda avstånd.

Resultatet pekar på att föreställningen om att grafenoxidens yta skulle vara helt plan inte är korrekt. Den utgör i stället ett relativt tjockt lager (två gånger tjockare jämfört med grafen) med variation av tjocklek, det har "berg" och "dalar" av olika storlek. När vattenmolekyler läggs till ökar tjockleken på detta skikt lokalt, men inte nödvändigtvis genom exakta storleken på vattenmolekyl om vissa "dalar" fylls först. När alla tillgängliga vattenadsorptionsställen ("dalar") är fyllda, adderas ytterligare vattenskikt på en gång, detta händer vid mycket hög luftfuktighet eller i flytande vatten.

Om grafitoxid: 
Grafen är en tunn film av kol, bara en atom tjock. Det är ett unikt adsorberande material på grund av sin extremt stora yta. Ett gram grafen har en yta jämförbar med en fotbollsplan. Denna yta skulle vara perfekt för adsorption av gaser och vätskor, i tillämpningar för lagring av gas, extraktion av föroreningar från vatten, och så vidare, om inte grafen vore en hydrofob, vilket innebär att dess yta stöter bort vatten. Oxidation av grafen resulterar i anmärkningsvärda förändringar av dess egenskaper. Grafenoxid är hydrofil och dras till vatten, och är till och med lättlöslig i vatten. Material som består av många grafenoxidskikt kallas grafitoxid. En möjlig tillämpning inom miljöområdet är rening av förorenad mark och havsvatten. Grafenoxiden fungerar då som ett filter som avskiljer alla andra beståndsdelar i vatten förutom vattenmolekylerna.

Originalartikel:

B. Rezania, Nikolai Severin, Alexandr V. Talyzin, and Jürgen P. Rabe: Hydration of Bilayered Graphene Oxide. Nano Letters. DOI:10.1021/nl5013689

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5013689

För mer information, kontakta gärna:

Alexandr Talyzin, institutionen för fysik vid Umeå universitet
Telefon: 090-786 63 20
E-post: alexandr.talyzin@physics.umu.se

Högupplöst porträtt