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水性媒体中のグラフェンへの気泡層の消失とイオン吸着

バイオ分析デバイスおよび機能性複合材料におけるグラフェンの潜在的なアプリケーションは、最近広く注目を集めています。これらの用途では、グラフェンは、多くの場合、イオンや生体 (高分子) 分子を含む水系にさらすか、密接に接触させる必要があります。

したがって、水性媒体中のグラフェンの表面構造を理解することは重要です。水性媒体中の生体分子とグラフェンおよびその誘導体との相互作用に関するいくつかの研究が報告されています。しかし、これらの研究で採用された方法では、埋もれたグラフェンと水との界面にある吸着分子層に関する限定的な構造情報しか得られませんでした。

シンクロトロン X 線反射率 (XRR) は、このような埋もれた界面の構造情報を解明するための定量的手法です。私たちの最近の論文では、空気中の同じバッチのグラフェン サンプルの構造に関する前例のない結果が報告され、XRR をいくつかの補完的な方法と共に使用して、グラフェン界面構造をプローブするための XRR の実現可能性がさらに実証されました。この研究では、シンクロトロン XRR (欧州シンクロトロン放射施設ビームライン BM28、エネルギー 14 keV) を適用して、SiO2 上の CVD グラフェンを調査しました。 (グラフェンの特性とアプリケーションの研究コミュニティで広く使用されています)、グラフェンが 25 ~ 60 °C の水とリン酸緩衝生理食塩水 (PBS) に浸されたとき。グラフェンの湿潤性を評価するために接触角測定も行われ、原子間力顕微鏡 (AFM) イメージングが補足的な地形情報のために試みられました。

散乱長密度 (SLD) をグラフェンの XRR 曲線にフィッティングすると、拡散気泡層 (SLD ρ d =6.72×10 Å、厚さ t d =84.9 Å、粗さ R a,d =31.9 Å) 水への最初の浸漬時にグラフェンの上に (図 1a)。対照的に、AFM イメージングは​​、固有の実験上の困難のために決定的な地形情報を提供しませんでしたが、結果は不均一な界面と一致していました.

興味深いことに、グラフェンを25°Cで24時間水中に沈めた後、拡散気泡層は減少しました。これは、グラフェンの水接触角が水没後に84.9±0.4°から55.6±0.4°に減少するという、濡れ性の向上からも明らかです(図1b)。さらに、室温で浸漬した後、追加の 10.1 Å ナノレイヤーがグラフェンの上に現れました。このナノ層の厚さは、グラフェンが PBS バッファー中で 60 °C に加熱されると 11.8 Å に増加し、室温に冷却しても保持されました。このナノ層は、加熱によって強化されたプロセスである、PBSからのグラフェンへのイオン吸着に起因すると考えられます(図1b)。このようなイオン吸着は、一連の環境刺激の結果として現れると考えられます。たとえば、温度によってイオン移動度が向上し、SiO2 上にシラノール層が形成される可能性があります。 基質、およびグラフェン/水界面での高温での水の構造破壊。

これらの前例のない結果は、水性媒体と接触するグラフェンの複雑な界面構造と、環境に応じた構造進化の可能性を示しています。このような情報は、グラフェンの生物分析およびナノテクノロジーへの応用に関連しており、水と電解質溶液の間の界面でのグラフェンの構造は、デバイスまたはプロセスの有効性と機能性にとって重要な考慮事項です。

参考文献:

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