UNA NUOVA RICERCA ESPLORA IL COMPORTAMENTO DELL’ACQUA SULLA SUPERFICIE DEL GRAFENE
Una nuova ricerca dell’Università della Scienza di Tokyo ha rivelato cosa succede alle molecole di acqua sulla superficie del grafene. Lo studio, condotto dal professor Takahiro Yamamoto , ha combinato strumenti di analisi dei dati statistici con simulazioni di dinamica molecolare per esplorare il cambiamento nella struttura dell’acqua a contatto con il materiale a base di carbonio, suggerendo che c’è molto da imparare sull’interazione tra acqua e 3D materiali stampati.
Il professor Yamamoto ha dichiarato all’industria della stampa 3D: “In una stampante 3D, la comprensione e il controllo della bagnatura sulle superfici dei materiali è essenziale per il processo di sovrapposizione degli strati. La bagnatura è determinata dalla struttura microscopica dell’acqua adsorbita sulla superficie. Tuttavia, il metodo per determinare ciò non è stato ancora stabilito. Il presente studio propone un metodo così potenziale basato su un approccio scientifico ai dati. Il metodo sviluppato dovrebbe essere applicato non solo alle superfici in grafite ma anche a varie superfici di materiali. “
Si prevede che i risultati della ricerca del 2020, pubblicati sul Journal of Applied Physics giapponese , avranno importanti implicazioni nell’ingegneria navale e aeronautica, oltre che vantaggi per gli interventi chirurgici di impianto.
L’importanza della dinamica dell’acqua
L’acqua è una sostanza molto comune, trovata naturalmente in quasi tutti gli ambienti del pianeta. Le proprietà dei primi pochi strati di acqua, chiamate acque superficiali , sono particolarmente importanti nella scienza dei materiali in quanto determinano il modo in cui l’acqua scorre in relazione alla superficie del materiale di contatto.
Comprendere come si comporta quest’acqua e perché si comporta in che modo consentirebbe agli scienziati dei materiali di sviluppare materiali idrofobici o idrofili e forse anche modificare le proprietà di quelli esistenti. Ridurre l’attrito dell’acqua sulle superfici delle navi porterebbe a una maggiore efficienza del carburante o lo sviluppo di materiali resistenti al ghiaccio per gli aeroplani potrebbe introdurre nuove misure di sicurezza quando si vola in ambienti sotto zero.
Molecole d’acqua e grafene
Il presente studio si concentra sull’interazione tra acqua e grafene, che è un materiale atomicamente piatto. Ciò rende il grafene un materiale di contatto perfetto quando si studiano i fondamenti delle proprietà interazionali dell’acqua.
Il professor Yamamoto spiega: “Le acque superficiali su nanomateriali di carbonio come il grafene hanno attirato molta attenzione perché le proprietà di questi materiali li rendono ideali per studiare la struttura microscopica delle acque superficiali”.
Precedenti studi hanno già stabilito che l’acqua, a contatto con il grafene, forma forme 2D stabili sia in acque superficiali che in acque libere , allontanando l’acqua dalla superficie del materiale di contatto. Tuttavia, le differenze tra le acque superficiali e quelle libere non erano state precedentemente determinate. La zona di transizione tra questi due gruppi è particolarmente difficile da caratterizzare, che è ciò che lo studio giapponese intendeva realizzare.
A causa della complessità della ricerca, metodi multipli di caratterizzazione dovevano essere impiegati insieme. Omologia persistente (PH), un metodo della scienza dei dati è stato mescolato con simulazioni di dinamica molecolare. Il PH può essere utilizzato nella scienza dei materiali per trovare strutture 3D stabili nei fluidi caotici.
“Il nostro studio rappresenta la prima volta che il PH è stato utilizzato per un’analisi strutturale delle molecole d’acqua”, osserva il prof. Yamamoto.
Quando un singolo strato di molecole d’acqua viene posizionato sulla superficie del grafene, le molecole d’acqua si allineano in una struttura 2D collegata dai loro legami idrogeno, parallela alla superficie del grafene. Un secondo strato rende questa struttura 3D e unidirezionale, formando una rete tetraedrica che punta ‘verso il basso’ verso la superficie del grafene. Un terzo strato mantiene la struttura 3D tetraedrica ma la rende omnidirezionale, dove i tetraedri puntano in tutte le direzioni. Eventuali strati successivi dopo il terzo sono orientati allo stesso modo del terzo, suggerendo che questo è dove finisce l’acqua superficiale e inizia l’acqua libera.
Lo studio si intitola “Scoperta di nuove strutture microscopiche nelle acque superficiali sul grafene usando la scienza dei dati” ed è stato pubblicato sul giapponese Journal of Applied Physics il 14 gennaio 2020. È co-autore di Koichiro Kato, Yuki Maekawa, Naoki Watanabe, Kenji Sasaoka e Takahiro Yamamoto.
Cosa significa per la stampa 3D?
Sebbene il grafene sia una superficie relativamente semplice e altre superfici più realistiche siano destinate ad avere interazioni acquatiche più complesse, questo studio verifica la validità del nuovo metodo utilizzato per la caratterizzazione. Le superfici stampate in 3D non sono ancora state esaminate a tale profondità a causa della relativa infanzia della tecnologia, e il professor Yamamoto prevede che l’approccio aiuterà a caratterizzare le superfici stampate in 3D a contatto con l’acqua negli anni a venire.
Forse l’approccio può essere applicato alle strutture di grafene stampate in 3D sviluppate in California per determinare eventuali differenze nei grafeni prodotti utilizzando tecnologie completamente diverse. Altrove, in Svezia, è stato sviluppato un filamento di grafene stampabile in 3D , che suggerisce un futuro brillante nella produzione di additivi per il supermateriale a base di carbonio.
Graphene sheet, illustration.