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La investigación sobre el grafeno ha avanzado mucho en los últimos años. Sin embargo, para aprovechar plenamente su potencial en aplicaciones como membranas de desalinización, sensores y almacenamiento y conversión de energía, es necesario comprender mejor la interacción entre el grafeno y el agua.
Hasta ahora, se pensaba que el grafeno, cuando se apoya en un sustrato, hereda en gran medida las propiedades humectantes del material subyacente, un fenómeno conocido como "transparencia humectante".
Un equipo internacional de investigación dirigido por Yongkang Wang y Yair Litman ha demostrado ahora que, aunque el grafeno parece "transparente" a gran escala, ejerce una influencia sutil pero significativa sobre las moléculas de agua cercanas a nanoescala.
El grafeno, una capa de carbono de sólo un átomo de grosor, se considera un material milagroso: extremadamente estable, altamente conductor y ópticamente transparente. Durante mucho tiempo, pareció igual de transparente al agua: las mediciones del ángulo de contacto con el agua -una medida de la humectabilidad- demostraron que el grafeno sobre un sustrato "deja pasar" la humectabilidad del sustrato prácticamente sin cambios. Este fenómeno de "transparencia humectante", observado durante años, parecía contradecir el hecho de que el grafeno es altamente polarizable y, por tanto, reacciona sensiblemente a las cargas del sustrato.
Un equipo internacional dirigido por Yongkang Wang y Yair Litman en el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (MPI-P), en colaboración con la Universidad de Cambridge, el Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Corea, la Universidad de Corea y la Universidad de Durham, ha cerrado ahora esta brecha. Los investigadores demuestran que, a escala micrométrica, el grafeno parece transparente a la humectabilidad del sustrato, pero a nanoescala modifica significativamente la estructura del agua.
Para demostrarlo, combinaron una avanzada espectroscopia vibracional específica de la superficie con simulaciones de dinámica molecular y estudiaron el agua sobre cristales de fluoruro de calcio (CaF2), una vez en su forma pura y otra recubierta con una sola capa de grafeno.
Variando el pH de la solución acuosa, ajustaron específicamente la carga superficial del CaF₂ y siguieron directamente cómo se alinea el agua cerca de la superficie del grafeno. El resultado a nivel macroscópico: la electrostática del sustrato domina la orientación y la estructura del agua interfacial, que permanecen esencialmente inalteradas con y sin grafeno, lo que confirma la transparencia de la humectación.
Sin embargo, las simulaciones revelan lo que ocurre a escala nanométrica: las cargas locales del CaF₂ inducen las correspondientes "cargas imagen" en la capa de grafeno polarizable, desplazando las cargas del grafeno por atracción electrostática. Esto altera la fuerza y la dirección del campo eléctrico que experimentan las moléculas de agua en las inmediaciones.
Justo encima de una carga local en CaF₂, la carga inducida del grafeno puede apantallar parcialmente el campo o incluso invertirlo, haciendo que las moléculas de agua de la primera capa se realineen inesperadamente. Unos pocos angstroms más lejos, el campo puede ser más fuerte que en ausencia de polarización del grafeno, lo que aumenta la alineación de las moléculas de agua.
Si se promedian muchos de estos puntos de carga, los efectos locales opuestos se anulan mutuamente: la transparencia macroscópica de la humectación permanece intacta. De este modo, el grafeno actúa como un "espejo a nanoescala" de las cargas del sustrato: las refleja y redistribuye, moldeando así la estructura del agua sin alterar el comportamiento general de humectación macroscópica.
"Los efectos observados son de gran relevancia técnica", afirma Yongkang Wang, jefe de grupo del Departamento de Espectroscopia Molecular de Mischa Bonn. "En lugar de limitarse a alterar la estructura o la química superficial del grafeno, los ingenieros pueden ahora considerar la estructuración de la carga del sustrato como un parámetro de diseño para controlar el agua interfacial".
Yair Litman, jefe de grupo y co-primer autor del estudio, añade: "El control de la respuesta electrónica del grafeno con tal precisión a nanoescala podría utilizarse para influir en las distribuciones de iones, el flujo de agua y las reacciones interfaciales".
Esta perspectiva multiescala proporciona nuevas reglas de diseño para aplicaciones que impliquen capas de grafeno en entornos acuosos, desde membranas nanofluídicas hasta dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica y componentes neuromórficos.
A largo plazo, el uso específico de este nuevo mecanismo de control a nanoescala podría hacer más selectivas las membranas de grafeno, más eficientes los dispositivos de almacenamiento de energía y más robustos los componentes neuromórficos.
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