Новое исследование Токийского университета науки (https://www.tus.ac.jp/en/) показало, что происходит с молекулами воды на поверхности графена. Исследование, проведенное профессором Такахиро Ямамото (Takahiro Yamamoto), объединило инструменты статистического анализа данных с имитацией молекулярной динамики, чтобы исследовать изменения в структуре воды при контакте с углеродным материалом, предполагая, что есть много того, что можно узнать о взаимодействии воды и 3D-печатными материалами.
Профессор Ямамото сказал 3D Printing Industry: «В 3D-принтере понимание и контроль процесса смачивания на поверхностях материала имеет важное значение для процесса укладки слоев. Смачивание определяется микроскопической структурой воды, адсорбированной на поверхности. Однако метод для определения этого еще не разработан. В настоящем исследовании предлагается такой потенциальный метод, основанный на научном подходе к данным. Ожидается, что разработанный метод будет применяться не только к графитовым поверхностям, но и к другим материалам».
Ожидается, что результаты исследований 2020 года, опубликованные в Японском журнале прикладной физики (https://iopscience.iop.org/journal/1347-4065), будут иметь серьезные последствия для морской и авиационной техники, а также полезны для операций по имплантации.
Вода - самое распространенное вещество, встречающееся в природе практически в любой среде на планете. Свойства первых нескольких слоев воды, называемых поверхностными, особенно важны в материаловедении, поскольку они определяют, как вода течет по отношению к поверхности контактирующего материала.
Понимание того, как ведет себя эта вода и почему она ведет себя так, как это происходит, позволило бы ученым-материаловедам разрабатывать гидрофобные или гидрофильные материалы и, возможно, даже изменять свойства существующих. Уменьшение водного трения на поверхностях судов может привести к повышению эффективности использования топлива, или разработка ледостойких материалов для самолетов, может привести к новым мерам повышения безопасности при полетах в условиях минусовых температур.
Настоящее исследование посвящено взаимодействию воды и графена, который представляет собой атомно-плоский материал. Это делает графен идеальным контактным материалом при изучении взаимодействующих свойств воды.
Профессор Ямамото объясняет: «Поведение поверхностных слоёв воды на углеродных наноматериалах, таких как графен, привлекают большое внимание, потому что свойства этих материалов делают их идеальными для изучения микроскопической структуры поверхностных слоёв».
Предыдущие исследования уже установили, что вода в контакте с графеном образует стабильные двумерные формы как в поверхностной, так и в свободной воде. Однако различия между поверхностной и свободной водой ранее не определялись. Особенно трудно охарактеризовать переходную зону между этими двумя группами, что и было целью японского исследования.
Из-за сложности исследования, несколько методов характеризации должны были использоваться в сочетании друг с другом. Постоянная гомология (PH - Persistent Homology), научный метод обработки данных был скомбинирован с моделированием молекулярной динамики. PH может использоваться в материаловедении для поиска стабильных трехмерных структур в хаотических жидкостях.
«Наше исследование представляет первый случай использования PH для структурного анализа молекул воды» - отмечает профессор Ямамото.
Когда один слой молекул воды помещается на поверхность графена, молекулы воды выстраиваются в двухмерную структуру, определяемую их водородными связями, параллельно поверхности графена. Второй слой делает эту структуру трехмерной и однонаправленной, образуя тетраэдрическую сеть, направленную «вниз» к поверхности графена. Третий слой поддерживает тетраэдрическую трехмерную структуру, но делает ее ненаправленной, где тетраэдры располагаются во всех направлениях. Любые последующие слои после третьего ориентируются так же, как и третий, предполагая, что именно здесь заканчивается поверхностная вода и начинается свободная вода.
Профессор Ямамото отмечает: «Эти результаты подтверждают, что пересечение между поверхностной и свободной водой происходит только в трех слоях воды».
Это исследование называется «Обнаружение новых микроскопических структур в поверхностных водах на графене с использованием научной обработки данных» и было опубликовано в Японском журнале прикладной физики 14 января 2020 года. Его соавтором являются Коитиро Като, Юки Маекава, Наоки Ватанабе, Кендзи Сасаока и Такахиро Ямамото.
Что это значит для 3D-печати?
Хотя графен представляет собой относительно простую поверхность, а другие более реалистичные поверхности должны иметь более сложные взаимодействия с водой, это исследование подтверждает правильность нового метода. Поверхности 3D-печати еще не были исследованы на этой глубине из-за относительной новизны технологии, и профессор Ямамото ожидает, что в ближайшие годы будет предложен подход, позволяющий характеризовать поверхности 3D-печати, контактирующие с водой.
Возможно, этот подход можно будет применить к трехмерным печатным структурам графена, разработанным в Калифорнии (https://3dprintingindustry.com/news/california-researchers-develop-3d-printed-graphene-structures-for-supercapacitors-142079/), чтобы определить любые различия в графенах, полученных с использованием совершенно разных технологий. В другом месте, в Швеции, была разработана графеновая нить для печати в 3D (https://3dprintingindustry.com/news/graphmatec-develops-3d-printable-graphene-filament-135144/ ), что наводит на мысль о блестящем будущем в аддитивном производстве суперматериалов на основе углерода.