石墨烯材料表面首次实现润湿和粘附特性可调控

据科学日报近日报道，美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员成功通过掺杂实现石墨烯材料表面润湿与粘附特性的可调控，为先进涂层材料和传感器的研制提供了可能。该研究成果发表于著名期刊《纳米快报》上。

石墨烯具有光学透明以及优良的电性能和机械性能，将颠覆表面涂层及电润湿显示等领域。材料的润湿性指材料表面与水的相互作用，在没有外部影响时通常是稳定不变的，可分为亲水和疏水两种特性。根据材料不同的应用场合，需要在亲水和疏水两种性质中做出选择。以电润湿显示为例，显示材料的亲水特性会在外加电路作用下得到增强。不同于传统的块状材料，石墨烯可以通过改变电子密度或掺杂来实现表面润湿特性的可调控。

研究人员发现由于石墨烯暴露在空气中，表面受到“污染”，而表现出典型的疏水特征，该研究首次通过加入荷电聚合物和金属（即掺杂），改变石墨烯表面电子密度，进而使石墨烯表现出可调控的润湿特性，实现亲水-疏水可调控转变。这一发现第一次揭示了量子级的电荷转移和石墨烯宏观表面润湿性之间的联系。该研究开辟了无需施加持续外部电流即可调表面涂层和电润湿显示性能的新路径，将显著地节约能源。

此外，研究人员同时研究了石墨烯的表面附着力。石墨烯的电子密度会导致表面粘附力的变化，这决定了石墨烯与亲水和疏水分子的相互作用，对构建基于石墨烯的化学和生物传感器启到重要的作用。在该研究成果的启发下，可以研制可重复使用的自清洁石墨烯传感器，通过先检测疏水分子，然后通过调控石墨烯电子密度提高传感器亲水性，进而分离疏水分子。该研究进一步拓宽了石墨烯材料的应用范围。