Графен поможет реализовать механизм критического смачивания

Adrian Del Maestro et al.

Физики обнаружили, что на двумерных кристаллах, например графене или силицене, возможно образование жидких пленок в необычном режиме критического смачивания. При конденсации легкой жидкости на расположенном над вакуумом графене толщина пленки достигает нескольких атомных слоев, после чего она перестает расти. Пока этот эффект был описан только теоретически для нескольких жидкостей — водорода, гелия и азота, пишут ученые в Physical Review Letters.

На незаряженной твердой поверхности любая жидкость может существовать в двух основных состояниях, выбор между которыми определяется энергией взаимодействия атомов жидкости между собой и атомов жидкости с атомами твердого тела. При слабом взаимодействии между жидкостью и твердым телом на поверхности формируются отдельные капли (этот режим называется частичным смачиванием), в обратной ситуации — жидкость растекается по твердому телу ровным слоем (полное смачивание).

В середине прошлого века было показано, что теоретически при осаждении пленки из газовой фазы возможно образование и промежуточного режима неполного (или критического) смачивания, в котором непрерывная пленка жидкости на твердой поверхности образуется, но достигая при росте (например при конденсации из пара) определенной толщины, расти перестает. Ее толщина при этом должна составлять очень небольшое число атомных слоев. Реализоваться такой механизм может только при строго определенном значении слабых сил Ван-дер-Ваальса, действующих между жидкостью и твердым телом, в которых почти полное отсутствие дальнодействующего «хвоста» у потенциала взаимодействия делает дальнейший рост пленки энергетически невыгодным. До настоящего дня область поиска систем, в которых эта ситуация могла бы наблюдаться, ограничивался лишь квантовыми жидкостями или жидкими поверхностями.

Группа физиков из США и Германии под руководством Валерия Котова (Valeri Kotov) из Вермонтского университета обнаружила, что механизм критического смачивания можно реализовать и для нескольких легких жидкостей на графене — гексагональной двумерной решетке из атомов углерода толщиной в один атом. Исследование ученые проводили с помощью теоретического анализа, рассмотрев в качестве жидкостей жидкие водород, гелий и азот. Для каждой из жидкостей были изучены три различные конфигурации — с одной стороны от графена всегда находилась тонкая пленка жидкости, а с другой стороны была одна из трех фаз: либо твердая подложка с другой диэлектрической проницаемостью, либо такая же жидкость, как и та, из которой состоит пленка, либо вакуум.

В рассмотренных системах пленка жидкости осаждается на графен за счет адсорбции молекул из газовой фазы. Оказалось, что для трех конфигураций этот процесс происходит по-разному. Если в случае твердой подложки или жидкой фазы под графеном толщина пленки определяется давлением пара над ней и фактически слой может расти бесконечно, то в ситуации, когда графен «висит» над вакуумом, можно реализовать критический механизм смачивания.

Для всех трех газов из-за отличий в физических параметров толщина, на которой прекращается рост, оказалась разной: у азота это 3,5 нанометра, у водорода — 12 нанометров, а у гелия — 300 нанометров. Интересно, что при повышении давления пара на поверхности пленки могут развиться неустойчивости и сформироваться отдельные капли с краевым углом до 2,4 градуса.

Ученые отмечают, что подобный механизм может быть реализован с легкими жидкостями не только на графене, но и на других двумерных материалах, например, на полупроводниковых дихалькогенидах переходных металлов, а также двумерных топологических изоляторах — силицене и германене. При этом, поскольку толщина пленки полностью определяется поляризуемостью молекул жидкости и механическими и электрическими свойствами двумерного кристалла, то этот принцип возможно в будущем использовать для создания тонких покрытий заданной толщины.

В данной работе ученые предлагают изменять параметры смачивания графена — толщину пленки и краевой угол образующихся на ней капель — с помощью легирования материала или механической нагрузки. Работают аналогичные подходы и на макроскопическом уровне. Так, недавно американские ученые предложили способ уменьшения краевого угла на графене с помощью добавления в его структуру кислородсодержащих функциональных групп в атмосфере различных газов.

Александр Дубов


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.