通过悬浮石墨烯释放润湿性操纵

超疏水材料的需求量很大，因为它们可以用于不同的高端应用。这些材料的表面形貌和化学疏水性在实现超疏水性中起着至关重要的作用。

a 在块状刚性特氟龙™上和涂有特氟龙™薄膜的表面上不润湿，b 在超疏水结构的特氟龙™钉床上不润湿，c 在非常热的刚性材料上不润湿，d 润湿疏水特氟龙™薄膜包裹在毛细管折纸20的液滴周围，e在悬浮和支撑的多层石墨烯上润湿， 在负载单层石墨烯上润湿，在悬浮单层石墨烯上不润湿，其中非润湿液滴由红色虚线圆圈突出显示。图片来源：Wang, H et al. (2022)

发表在《Communications Materials》上的一篇文章表明，在暴露于两侧潮湿环境的石墨烯单层上，形成具有高非润湿性能和约180度的接触角的冷凝诱导液滴。

同时允许液滴在单层（悬浮和支撑）和多层（悬浮和支撑）石墨烯上凝结，以观察其非润湿行为。结果表明，这种行为是悬浮单层石墨烯所独有的。

研究结果表明，由于液体分子在从块体基板上分离的悬浮单层石墨烯之间的相互作用，可能会发生高非润湿行为，产生比原子平坦或光滑疏水支撑单层表面上更高的非润湿行为。

什么是超疏水材料？

具有超疏水性状的复合材料因其优异的特性，如自洁性、受阻腐蚀、在防水电子器件中的应用等特性，得到了广泛的研究。荷叶的憎水特性促使科学家开发出具有出色憎水性的材料。

超疏水表面是水接触角为150度或更大的刻面，并且这些材料具有足够的表面磨损和最小的表面能。超疏水状态至关重要，因为它具有完美的非润湿能力，并且水接触角异常升高，从而导致水滴滚动。

石墨烯是碳的同素异形体，在21世纪初通过机械去角质分离出来。它是一种单原子薄碳片，排列在六角形蜂窝状晶格中。它具有独特的性质，源于其二维（2D）结构和sp的存在²-键合碳原子。

石墨烯由于其在室温下优异的导电性和腐蚀惰性，预计在制造各种碳质技术器件方面将有更好的未来。石墨烯的表面润湿性在以前的报告中已经进行了广泛的讨论，并且已经做出了许多努力来通过修改其表面来控制它。

增加液-气界面的分数并取代固液界面是实现超强憎水性的常用方法。平坦表面上不同流体的接触角限制为120度。

然而，微结构或纳米结构的存在是赋予表面超疏水性质的先决条件。这些表面通过操纵最外表面的表面结构或固有的润湿性而使毛细管穿透不利。

石墨烯表面的冷凝诱导液滴

在这项研究中，在具有沟槽和孔的图案化硅衬底上创建了单层和多层形式的石墨烯。悬浮的单层石墨烯显示出润湿透明度，顶部几乎没有与水的相互作用。

对单层悬浮石墨烯上凝结的微米/皮升液滴的实验观察显示，在支撑的单层和支撑和悬浮的多层石墨烯上观察到接触角约为90度的非润湿液滴。

同时观察到支撑和悬浮的单层到多层石墨烯，以及对样品质量和固定的补充影响，表明水滴在光滑的单层上不润湿，接触角大于特氟龙^断续器，在石墨烯的情况下，通过消除第一表面层以外的水面相互作用可能是可行的。

此外，随着水蒸气分子的凝结，它们产生了一个有序的层，该层在悬浮石墨烯的两侧相互作用。因此，冷凝水分子受到保护，不与石墨烯相互作用，产生具有低表面能的球形液滴。这表明在光滑疏水表面上可实现的最高接触角不限于特氟龙。

结论

综上所述， 通过观察石墨烯单层上凝聚的微米/皮升液滴， 实验证实了悬浮单层石墨烯的固有润湿性.实验结果验证了表面拓扑结构对接触角的影响，在光滑的悬浮石墨烯单层上观察到接触角为175度的非润湿液滴。

另一方面，支撑单层和悬浮和支撑多层石墨烯上的液滴的接触角低于90度。研究结果表明，去除第一层以外的水面相互作用有利于实现水滴在光滑石墨烯单层上的非润湿行为。

这些发现为使用悬浮石墨烯控制润湿性提供了一条新的途径。然而，需要对替代单层材料进行进一步研究，这些材料可以通过操纵悬浮石墨烯层后面的环境来完成，也许使用微流体。

参考

Wang, H et al. (2022). Non-wetting of condensation-induced droplets on smooth monolayer suspended graphene with contact angle approaching 180 degrees.

Communications Materials.

https://doi.org/10.1038/s43246-022-00294-8