Когда капля, содержащая коллоидные частицы, испаряется, после высыхания она оставляет кольцеобразный осадок. Это явление, известное как «эффект кофейного кольца», мы часто наблюдаем на примере капель засохшего кофе. По мере испарения капли края высыхают быстрее, чем центр, вытягивая жидкость — и взвешенные частицы — наружу. В результате образуется плотное кольцо материала по периферии капли. Это хорошо знакомо каждому, кто проливал чай или кофе, но для учёных, работающих над покрытиями и чернилами, этот эффект может быть неприятным. Во многих случаях равномерное покрытие гораздо полезнее, чем кольцо.
В нашем недавнем исследовании, опубликованном в журнале Langmuir, мы изучили, что происходит, когда крошечные листы углерода — в частности, восстановленный оксид графена (rGO) и оксид графена (GO) — суспендированы в каплях воды и высушены на стеклянной поверхности. Результаты оказались поразительными и открывают новые возможности для печатной электроники, покрытий и многого другого.
Поверхностные свойства оксида графена
Квазидвумерные углеродные материалы, такие как графен, восстановленный оксид графена (rGO) и оксид графена (GO), лежат в основе многих новых технологий благодаря своим замечательным электрическим, тепловым и механическим свойствам. Несмотря на их потенциал, существует удивительный пробел в нашем понимании того, как эти материалы ведут себя при нанесении из испаряющихся капель, особенно как уровень окисления влияет на конечные высушенные узоры.
Это важно, поскольку отрасли, разрабатывающие печатную электронику, суперконденсаторы и функциональные покрытия, полагаются на точный контроль над тем, как эти материалы образуют плёнки на поверхностях. Наше исследование было направлено на изучение этой проблемы путём изучения того, как rGO и GO, суспендированные в каплях воды, оставляют после высыхания различные узоры отложений.
Ключевое различие между rGO и GO заключается в их химии поверхности. GO сильно окислен и содержит множество кислородсодержащих функциональных групп, таких как гидроксильные, карбоксильные и карбонильные. У rGO меньше кислородных групп и более графитовая, менее полярная структура. Эти различия играют важную роль в том, как материалы перемещаются и оседают во время испарения.
Мы задались вопросом: можем ли мы контролировать узор, оставленный путём изменения химии суспендированных квазидвумерных материалов?
Когда мы использовали rGO — форму оксида графена, которая была химически или «зелёно» восстановлена, — мы увидели обычный узор в виде кофейного кольца. Но когда мы перешли на GO, произошло нечто неожиданное. Кольцо исчезло, сменившись гладким, ровным слоем по всей площади капли. Это было больше похоже на маленькое блюдце, чем на кольцо.
Почему? Ответ кроется в структуре GO. В основе механизма лежит самосборка GO на границе раздела жидкость-пар. Присутствие сильно гидрофильных гидроксильных групп наряду с остаточными гидрофобными графитовыми доменами заставляет листы GO проявлять амфифильные свойства. Следовательно, они устремляются к границе раздела жидкость-пар и закрепляются на ней.
Кроме того, листы GO самопроизвольно выстраиваются друг с другом, или самособираются, поскольку соседние листы GO связаны друг с другом через сеть водородных связей, образованную с молекулами воды, присутствующими в диспергирующей водной среде. Когда мы рассматривали каплю, содержащую GO, через скрещенный поляризатор под микроскопом, мы наблюдали интересные двулучепреломляющие текстуры, характерные для лиотропных жидких кристаллов GO (GOLLCs), что подтверждает самосборку.
Таким образом, собранные листы GO на границе раздела по мере испарения опускаются вместе с границей раздела и в конце концов равномерно оседают на нижележащей поверхности, которая выглядит как перевёрнутое блюдце.
В качестве бонуса мы продемонстрировали экологически чистый способ получения rGO с использованием экстракта семян Acacia concinna. Этот «зелёный» синтез оказался столь же эффективным, как и традиционный метод с использованием гидразина, — без использования токсичных химикатов. Мы обнаружили, что обе формы rGO создавали одинаковые отложения в виде кофейных колец, что подчёркивает более широкую мысль: именно содержание кислорода, а не метод синтеза, определяет характер отложений.
Контроль за узорами высыхания капель важен для таких технологий, как струйная печать электроники, биосенсоры и покрытия. Наши выводы показывают, что, настраивая химию поверхности, особенно содержание кислорода в материалах на основе графена, мы можем контролировать, где частицы окажутся после испарения.
Это открывает двери для более экологичных, предсказуемых и настраиваемых процессов печати с использованием таких материалов, как растительные экстракты.
Эта статья является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных научных статей. Посетите эту страницу, чтобы узнать больше о Science X Dialog и о том, как принять участие.
Йогита — научный сотрудник физического факультета Университета информационных технологий, Дехрадун, Индия. Санджевни Рана — студентка бакалавриата, Каджал Шарма — докторант того же факультета. Рави Кумар Шукла — профессор, Сангхамитро Чаттерджи — доцент того же факультета. Бибек Кумар — докторант кафедры машиностроения IIT Bombay, Мумбаи, Индия. Раджниш Бхардвадж — профессор того же факультета.