Schreiben im Zeitschrift für molekulare Flüssigkeiten, hat ein Team unter der Leitung von Professor Aravind Vijayaraghavan vom National Graphene Institute (NGI) dreidimensionale Partikel aus Graphen in vielen interessanten Formen unter Verwendung einer Variation des Wirbelringeffekts hergestellt. Derselbe Effekt wird zur Erzeugung von Rauchringen verwendet und ist dafür verantwortlich, dass Löwenzahnsamen fliegen. Diese Partikel haben sich auch als außergewöhnlich effizient bei der Adsorption von Verunreinigungen aus Wasser erwiesen, wodurch es gereinigt wird.
Die Forscher haben gezeigt, dass die Bildung dieser Graphenpartikel durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Kräfte wie Viskosität, Oberflächenspannung, Trägheit und Elektrostatik bestimmt wird. Prof. Vijayaraghavan sagte: „Wir haben eine systematische Studie durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Parameter und Kräfte zu verstehen und zu erklären, die an der Partikelbildung beteiligt sind. Dann haben wir durch Maßschneidern dieses Prozesses sehr effiziente Partikel für die adsorptive Reinigung von Verunreinigungen aus Wasser entwickelt.“
Graphenoxid (GO), eine funktionalisierte Form von Graphen, die eine stabile Dispersion in Wasser bildet, hat viele einzigartige Eigenschaften, einschließlich der Tatsache, dass es ein Flüssigkristall ist. Einzelne GO-Blätter sind ein Atom dünn und so breit wie die Dicke eines menschlichen Haares. Um jedoch nützlich zu sein, müssen sie zu komplexen dreidimensionalen Formen zusammengesetzt werden, die ihre große Oberfläche und Oberflächenchemie bewahren. Solche porösen dreidimensionalen Anordnungen von GO werden Aerogele genannt, und wenn sie mit Wasser gefüllt sind, werden sie Hydrogele genannt.
Die Forscher verwendeten ein zweites Flüssigkristallmaterial namens CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid), um GO-Flocken zu kleinen Partikeln von Graphenoxid-Hydrogelen zu aggregieren, ohne sie zu Graphen reduzieren zu müssen. Dies wurde erreicht, indem die GO-Dispersion in Wasser in Form kleiner Tröpfchen in eine Lösung von CTAB in Wasser getropft wurde.
Wenn die GO-Tröpfchen auf die Oberfläche der CTAB-Lösung treffen, verhalten sie sich sehr ähnlich wie wenn ein heißer Rauchstrahl auf kalte Luft trifft. Der GO-Tropfen fließt aufgrund von Unterschieden in der Dichte und Oberflächenspannung der beiden Flüssigkeiten in Form eines Rings oder Toroids in die CTAB-Lösung.
Kredit: Zeitschrift für molekulare Flüssigkeiten (2023). DOI: 10.1016/j.molliq.2023.121341
Durch die Steuerung verschiedener Parameter dieses Prozesses haben die Forscher Partikel in Form von Kugeln (Kugeln), Toroiden (Donuts) und Zwischenformen hergestellt, die Quallen ähneln. Dr. Yizhen Shao, ein kürzlich promovierter Ph.D. Student und Hauptautor dieser Arbeit, sagte: „Wir haben ein universelles Phasendiagramm für die Bildung dieser Formen entwickelt, basierend auf vier dimensionslosen Zahlen – den Weber-, Reynolds-, Onhesorge- und Weber-Zahlen, die die Trägheits-, Viskositäts-, Oberflächenspannung und darstellen elektrostatische Kräfte. Dies kann verwendet werden, um die Partikelmorphologie durch Variation der Formationsparameter genau zu steuern.“ Die Forscher nutzten Hochgeschwindigkeitsfotografie, um die Entstehung und Entwicklung dieser Partikelformen festzuhalten – gesehen Hier.
Die Autoren heben die Bedeutung dieser Partikel für die Wasserreinigung hervor. Kaiwen Nie, ein Ph.D. Student und Co-Autor der Veröffentlichung, sagte: „Wir können die Oberflächenchemie der Graphenflocken in diesen Partikeln so einstellen, dass positiv oder negativ geladene Verunreinigungen aus dem Wasser extrahiert werden. Wir können sogar ungeladene Verunreinigungen oder Schwermetallionen extrahieren, indem wir das Graphen entsprechend funktionalisieren Oberfläche.“
Mehr Informationen:
Yizhen Shao et al, Abstimmbare Elektrohydrodynamik von Kern-Schale-Graphenoxid-Wirbelringen, Zeitschrift für molekulare Flüssigkeiten (2023). DOI: 10.1016/j.molliq.2023.121341