Графен допоможе реалізувати механізм критичного змочування
Фізики виявили, що на почесних кристалах, наприклад графені або силіцені, можливе утворення рідких плівок у незвичайному режимі критичного змочування. При конденсації легкої рідини на розташованому над вакуумом графені товщина плівки досягає декількох атомних шарів, після чого вона перестає рости. Поки цей ефект був описаний тільки теоретично для декількох рідин - водню, гелію та азоту, пишуть вчені в.
На незарядженій твердій поверхні будь-яка рідина може існувати в двох основних станах, вибір між якими визначається енергією взаємодії атомів рідини між собою і атомів рідини з атомами твердого тіла. При слабкій взаємодії між рідиною і твердим тілом на поверхні формуються окремі краплі (цей режим називається частковим змочуванням), у зворотній ситуації - рідина розтікається по твердому тілу рівним шаром (повне змочування).
У середині минулого століття було показано, що теоретично при облозі плівки з газової фази можливе утворення і проміжного режиму неповного (або критичного) змочування, в якому безперервна плівка рідини на твердій поверхні утворюється, але досягаючи при зростанні (наприклад при конденсації з пара) певної товщини, рости перестає. Її товщина при цьому повинна становити дуже невелике число атомних шарів. Реалізуватися такий механізм може тільки при строго певному значенні слабких сил Ван-дер-Ваальса, що діють між рідиною і твердим тілом, в яких майже повна відсутність далекодіючого «хвоста» у потенціалу взаємодії робить подальше зростання плівки енергетично невигідним. До теперішнього дня область пошуку систем, в яких ця ситуація могла б спостерігатися, обмежувався лише квантовими рідинами або рідкими поверхнями.
Група фізиків зі США та Німеччини під керівництвом Валерія Котова (Valeri Kotov) з Вермонтського університету виявила, що механізм критичного змочування можна реалізувати і для кількох легких рідин на графені - гексагональній акціонерній решітці з атомів вуглецю товщиною в один атом. Дослідження вчені проводили за допомогою теоретичного аналізу, розглянувши в якості рідин рідкі водень, гелій і азот. Для кожної з рідин були вивчені три різні конфігурації - з одного боку від графена завжди знаходилася тонка плівка рідини, а з іншого боку була одна з трьох фаз: або тверда підкладка з іншою діелектричною проникністю, або така ж рідина, як і та, з якої складається плівка, або вакуум.
У розглянутих системах плівка рідини облагається на графен за рахунок адсорбції молекул з газової фази. Виявилося, що для трьох конфігурацій цей процес відбувається по-різному. Якщо в разі твердої підкладки або рідкої фази під графеном товщина плівки визначається тиском пари над нею і фактично шар може рости нескінченно, то в ситуації, коли графен «висить» над вакуумом, можна реалізувати критичний механізм змочування.
Для всіх трьох газів через відмінності у фізичних параметрів товщина, на якій припиняється зростання, виявилася різною: у азоту це 3,5 нанометра, у водню - 12 нанометрів, а у гелію - 300 нанометрів. Цікаво, що при підвищенні тиску пара на поверхні плівки можуть розвинутися нестійкості і сформуватися окремі краплі з крайовим кутом до 2,4 градуса.
Вчені відзначають, що подібний механізм може бути реалізований з легкими рідинами не тільки на графені, але і на інших почесних матеріалах, наприклад, на напівпровідникових дихалькогенідах перехідних металів, а також почесних топологічних ізоляторах - силіцені і германені. При цьому, оскільки товщина плівки повністю визначається поляризуваністю молекул рідини і механічними та електричними властивостями акціонерного кристала, то цей принцип можливо в майбутньому використовувати для створення тонких покриттів заданої товщини.
У цій роботі вчені пропонують змінювати параметри змочування графена - товщину плівки і крайовий кут крапель, що утворюються на ній - за допомогою легування матеріалу або механічного навантаження. Працюють аналогічні підходи і на макроскопічному рівні. Так, нещодавно американські вчені запропонували спосіб зменшення крайового кута на графені за допомогою додавання в його структуру кисневмісних функціональних груп в атмосфері різних газів.