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Die Forschung zu Graphen hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Um sein Potenzial in vielen Anwendungsbereichen jedoch voll auszuschöpfen, ist ein Verständnis der Wechselwirkung zwischen Graphen und Wasser erforderlich. Bislang ging man allgemein davon aus, dass Graphen, wenn es auf einem Substrat aufgebracht ist, weitgehend die Benetzungseigenschaften des darunterliegenden Materials übernimmt. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Yongkang Wang und Yair Litman hat nun gezeigt, dass Graphen zwar im makroskopischen Bereich „transparent“ erscheint, auf der Nanoskala jedocheinen subtilen, aber signifikanten Einfluss auf Wassermoleküle ausübt.
Graphen, eine nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, gilt als Wundermaterial: extrem stabil, hochleitfähig und optisch transparent. Lange Zeit schien es gegenüber Wasser ebenso transparent zu sein: Messungen des Kontaktwinkels, ein Maß für die Benetzbarkeit, zeigten, dass Graphen auf einem Substrat die Benetzbarkeit des Substrats praktisch unverändert „durchlässt“. Dieses seit Jahren beobachtete Phänomen der „Benetzungstransparenz“ schien der Tatsache zu widersprechen, dass Graphen hochpolarisierbar ist und daher empfindlich auf Ladungen im Substrat reagiert.
Ein internationales Team unter der Leitung von Yongkang Wang und Yair Litman am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) hat nun in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge, dem Institute for Basic Science (IBS) in Korea, der Korea University und der Durham University diese Lücke geschlossen. Die Forscher zeigten, dass Graphen im Mikrometerbereich für die Benetzbarkeit des Substrats transparent erscheint – im Nanobereich jedoch die Wasserstruktur erheblich verändert.
Um dies zu demonstrieren, kombinierten sie fortschrittliche oberflächenspezifische Schwingungsspektroskopie mit Molekulardynamik-Simulationen und untersuchten Wasser auf Calciumfluorid (CaF2)-Kristallen; einmal in seiner reinen Form und einmal mit einer einzigen Graphenschicht bedeckt. Durch Variieren des pH-Werts der Wasserlösung passten sie gezielt die Oberflächenladung des CaF₂ an und verfolgten direkt, wie sich das Wasser in der Nähe der Graphenoberfläche ausrichtet. Das Ergebnis auf makroskopischer Ebene: Die Elektrostatik des Substrats bestimmt die Ausrichtung und Struktur des Grenzflächenwassers, die mit und ohne Graphen im Wesentlichen unverändert bleiben, was die Benetzungstransparenz bestätigt.
Die Simulationen zeigen jedoch, was auf der Nanoskala geschieht: Lokale Ladungen auf dem CaF₂ induzieren entsprechende „Spiegelladungen“ in der polarisierbaren Graphen-Schicht und verschieben die Ladungen des Graphens durch elektrostatische Anziehung. Dies verändert die Stärke und Richtung des elektrischen Feldes, dem die Wassermoleküle in unmittelbarer Nähe ausgesetzt sind. Direkt über einer lokalen Ladung im CaF₂ kann die induzierte Graphenladung das Feld teilweise abschirmen oder sogar umkehren, was dazu führt, dass sich die Wassermoleküle in der ersten Schicht unerwartet neu ausrichten. Nur wenige Angström weiter entfernt kann das Feld stärker werden als ohne Graphenpolarisation, was die Ausrichtung der Wassermoleküle verstärkt.
Über viele solcher Ladungsstellen gemittelt heben sich die gegensätzlichen lokalen Effekte gegenseitig auf, die makroskopische Benetzungstransparenz bleibt erhalten. Graphen wirkt somit als „nanoskaliger Spiegel“ für Substratladungen: Es reflektiert und verteilt sie neu und formt dadurch die Wasserstruktur, ohne das gesamte makroskopische Benetzungsverhalten zu verändern.
„Die beobachteten Effekte sind von hoher technischer Relevanz“, sagt Yongkang Wang, Gruppenleiter in Mischa Bonns Arbeitskreis für Molekulare Spektroskopie. „Anstatt lediglich die Oberflächenstruktur oder Chemie von Graphen zu verändern, können Ingenieure nun die Strukturierung der Substratladung als Designparameter in Betracht ziehen, um das Wasser an der Grenzfläche zu steuern.“
Yair Litman, Gruppenleiter und Co-Erstautor der Studie, fügt hinzu: „Die Steuerung der elektronischen Reaktion von Graphen mit einer solchen nanoskaligen Präzision könnte genutzt werden, um Ionenverteilungen, den Wasserfluss und Grenzflächenreaktionen zu beeinflussen.“
Diese multiskalige Perspektive liefert neue Designregeln für Anwendungen mit Graphen-Schichten in wässrigen Umgebungen – von nanofluidischen Membranen bis hin zu elektrochemischen Energiespeichern und neuromorphen Komponenten. Langfristig könnte der gezielte Einsatz dieses neuen Kontrollmechanismus im Nanobereich dazu führen, dass Graphen-Membranen selektiver, Energiespeicher effizienter und neuromorphe Komponenten robuster werden.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Chem“ veröffentlicht.
Dr. Yair Litman
+49 06131 379-380
litmany@mpip-mainz.mpg.de
Dr. Yongkang Wang
+49 6131 379-613
wangy3@mpip-mainz.mpg.de
Yongkang Wang, Yair Litman, Minhaeng Cho, Stephen J. Cox, Mischa Bonn
Wetting transparency of graphene across length scales: Macroscopic transparency but nanoscopic mirror-like behavior; Chem (2026) 103023
https://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103023
Mithilfe der oberflächenspezifischen Schwingungsspektroskopie haben Forschende ein seit langem beste ...
Copyright: © Katharina Maisenbacher / MPI-P
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Chemistry, Physics / astronomy
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