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Imagen 3D
de grafeno y agua. Los átomos de carbono del grafeno aparecen en la base
del cubo. Cada franja de moléculas hidrofóbicas (en azul claro) tiene
una anchura de 5 angstroms. Las moléculas de agua se encuentran en la
parte superior del cubo, aproximadamente 2 nanómetros por encima de la
superficie del grafeno / R GARCÍA
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Un
equipo liderado por investigadores del Consejo Superior de
Investigaciones Científicas (CSIC) ha estudiado cómo interaccionan
materiales bidimensionales como el grafeno con el agua y han tomado la
primera imagen de este contacto. Los resultados, publicados en la
revista Nature Communications, podrían abrir el camino al diseño de
nuevos sistemas que eliminen sustancias contaminantes del agua, aparte
de ser útiles para nuevas aplicaciones biomédicas.
El
grafeno, denominado en muchas ocasiones “el material del siglo XXI” por
sus propiedades mecánicas, electrónicas, químicas, magnéticas y ópticas,
es nanométrico y bidimensional y consiste en una capa de carbono de un
solo átomo de grosor. Además de ser el material más fino que existe, es
muy flexible, ligero, más duro que el acero y más conductivo que el
cobre. Lo que han observado los científicos es que, al interaccionar con
el grafeno, el agua en estado líquido no está en contacto con su
superficie, ya que se forman en medio varias capas hidrofóbicas de
tamaño molecular. Las moléculas que forman estas capas proceden de gases
u otras moléculas disueltas en el agua.
“Cuando el grafeno y otros materiales bidimensionales se sumergen en
agua, se crean varias capas de moléculas hidrofóbicas que se interponen
entre el material y el agua. En realidad, estas moléculas proceden de
gases como el nitrógeno y o el CO2 que están disueltas en el agua de
forma natural. La concentración de esas moléculas es pequeñísima, pero
se difunden muy rápido por el agua y al interactuar con el grafeno,
deciden quedarse en su superficie. Finalmente, lo que sucede en este
proceso es que el agua es expulsada”, explica el investigador del CSIC
Ricardo García, que trabaja en el Instituto de Ciencia de Materiales de
Madrid.
Un
nuevo método
Los
científicos han desarrollado un nuevo método de microscopía de fuerza
atómica para estudiar las interacciones del agua líquida con la
superficie de los materiales en dos dimensiones. El método aporta
imágenes de resolución atómica y vídeos de la organización
tridimensional de las moléculas y solutos del agua sobre los materiales
bidimensionales. “La interacción con el grafeno les gusta a estas
moléculas y prefieren quedarse sobre la superficie a estar disueltas en
el agua”, resalta García.
“Hay
que destacar que cualquier masa de agua en estado líquido que se
encuentra en equilibrio con el ambiente contendrá algunos gases
disueltos, como el nitrógeno, así como otras moléculas transportadas por
el aire, los cuales se incorporan a las capas hidrofóbicas. Nuestro
estudio propone que la formación de estas capas hidrofóbicas cerca de la
superficie es una propiedad universal aplicable a cualquier superficie
hidrofóbica inmersa en agua líquida”, subraya el investigador del CSIC.
Los
resultados pueden aplicarse en el desarrollo de dispositivos fabricados
con materiales bidimensionales que interactúen con soluciones acuosas.
Es el caso de los biosensores y otras aplicaciones biomédicas. El
siguiente paso para los científicos será profundizar en la organización
interna del agua en contacto con superficies más complejas.
Manuel R. Uhlig, Daniel Martin-Jimenez & Ricardo Garcia.
Atomic-scale
mapping of hydrophobic layers on graphene and few-layer MoS2 and WSe2 in
water.
Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-019-10740-w
Fuente: CSIC Fecha 13/06/2019
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