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Wissenschaftliche Universität Tokio: Das Verhalten von Wasser auf der Graphenoberfläche hilft beim 3D-Drucken

Neue Forschungsergebnisse der Tokyo University of Science zeigen, wie sich Wassermoleküle auf der Oberfläche von Graphen verhalten. Die von Professor Takahiro Yamamoto geleitete Studie kombinierte statistische Datenanalysetools mit Molekulardynamiksimulationen, um strukturelle Veränderungen im Wasser bei Kontakt mit kohlenstoffbasierten Materialien zu untersuchen, was auf Wechselwirkungen zwischen Wasser und Graphen schließen lässt, und untersuchte weiter die 3D-Möglichkeit von Druckmaterialien. Professor Takahiro Yamamoto sagte gegenüber der 3D-Druckindustrie: „Bei 3D-Druckern ist das Verständnis und die Kontrolle der Benetzung der Materialoberfläche für den Prozess der Schichtung von entscheidender Bedeutung. Die Benetzung wird durch die Mikrostruktur des auf der Oberfläche adsorbierten Wassers bestimmt. Dies ist jedoch nicht der Fall.“ noch nicht erreicht Identifizieren Sie die Methode. Diese Studie schlägt eine mögliche Methode vor, die auf datenwissenschaftlichen Methoden basiert. Es wird erwartet, dass die entwickelte Methode nicht nur auf Graphitoberflächen, sondern auch auf verschiedene Materialoberflächen angewendet wird.

Die im Japanese Journal of Applied Physics veröffentlichten Ergebnisse dieser Forschung werden voraussichtlich erhebliche Auswirkungen auf die Schiffs- und Flugzeugtechnik haben und der Implantatchirurgie zugute kommen. Bedeutung der Hydrodynamik Wasser ist eine sehr verbreitete Substanz, die natürlicherweise in fast jeder Umgebung der Erde vorkommt. Die Eigenschaften der ersten Wasserschichten, Oberflächenwasser genannt, sind in der Materialwissenschaft besonders wichtig, da sie bestimmen, wie Wasser relativ zur Oberfläche fließt, mit der es mit dem Material in Kontakt kommt. Wenn wir verstehen, wie und warum sich dieses Wasser verhält, können Materialwissenschaftler hydrophobe oder hydrophile Materialien entwickeln und möglicherweise sogar die Eigenschaften bestehender Materialien verändern.

Die Reduzierung der Wasserreibung auf Schiffsoberflächen könnte die Treibstoffeffizienz verbessern, oder die Entwicklung eisbeständiger Materialien für Flugzeuge könnte neue Sicherheitsmaßnahmen beim Fliegen in Umgebungen mit Minusgraden einführen. Wassermoleküle und Graphen Diese Studie konzentriert sich auf die Wechselwirkung zwischen Wasser und Graphen, einem atomar flachen Material. Dies macht Graphen zu einem idealen Kontaktmaterial, wenn es darum geht, die Wechselwirkungseigenschaften von Wasser zu untersuchen. „Oberflächenwasser auf Kohlenstoffnanomaterialien wie Graphen ist von großem Interesse, da sich diese Materialien aufgrund ihrer Eigenschaften ideal für die Untersuchung der Mikrostruktur von Oberflächenwasser eignen“, erklärt Professor Takahiro Yamamoto.

Die Struktur von Graphen

Frühere Untersuchungen haben ergeben, dass Wasser in Kontakt mit Graphen stabile 2D-Formen im Oberflächenwasser und im freien Wasser bildet, das sich von der Oberfläche des Kontaktmaterials entfernt. Der Unterschied zwischen Oberflächenwasser und freiem Wasser wurde jedoch bisher nicht bestimmt. Der Übergangsbereich zwischen diesen beiden Gruppen ist besonders schwer zu beschreiben, was in der japanischen Studie angestrebt wurde. Aufgrund der Komplexität der Studie müssen mehrere Charakterisierungsmethoden in Verbindung miteinander verwendet werden. Persistente Homologie (PH) ist eine Methode aus der Datenwissenschaft kombiniert mit molekulardynamischen Simulationen. PH kann in der Materialwissenschaft eingesetzt werden, um stabile 3D-Strukturen in chaotischen Flüssigkeiten zu finden. „Unsere Studie stellt das erste Mal dar, dass der pH-Wert für die Strukturanalyse von Wassermolekülen verwendet wird“, sagte Professor Yamamoto. Wenn eine einzelne Schicht von Wassermolekülen auf die Oberfläche von Graphen gelegt wird, werden die Wassermoleküle in einer zweidimensionalen Struktur angeordnet durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden, parallel zur Graphenoberfläche. Die zweite Schicht macht die Struktur dreidimensional und unidirektional und bildet ein Netzwerk aus Tetraedern, die „nach unten“ zur Oberfläche des Graphens zeigen. Die dritte Schicht behält die tetraedrische 3D-Struktur bei, macht sie jedoch omnidirektional, wobei die Tetraeder in alle Richtungen zeigen. Alle nachfolgenden Schichten nach der dritten Schicht werden auf die gleiche Weise wie die dritte Schicht positioniert, was darauf hindeutet, dass hier das Oberflächenwasser endet und das freie Wasser beginnt.

Graphen und Wasser

Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Austausch zwischen Oberflächenwasser und freiem Wasser nur innerhalb von drei Wasserschichten stattfindet“, bemerkte Professor Yamamoto. Die Studie mit dem Titel „Entdeckung neuer Mikrostrukturen in Oberflächenwasser auf Graphen mithilfe von Datenwissenschaft“ wurde in der „ Japanese Journal of Applied Physics“ am 14. Januar 2020. Die Forschung wurde von Koichiro Kato, Yuki Maekawa, Naoki Watanabe, Kenji Oka und Takahiro Yamamoto geleitet. Was bedeutet 3D-Druck? Obwohl Graphen eine relativ einfache Oberfläche ist und andere realistischere Oberflächen zwangsläufig komplexere Wasserwechselwirkungen aufweisen, bestätigt diese Studie die Wirksamkeit der neuen Methode zur Charakterisierung.

Da die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt und die Eigenschaften von 3D-gedruckten Oberflächen noch nicht in dieser Tiefe untersucht wurden, hofft Professor Yamamoto, dass diese Methode in den kommenden Jahren dazu beitragen kann, 3D-gedruckte Oberflächen in Kontakt mit Wasser zu charakterisieren. Möglicherweise ließe sich die Methode auf in Kalifornien entwickelte 3D-gedruckte Graphenstrukturen anwenden, um Unterschiede bei Graphen zu ermitteln, das mit völlig unterschiedlichen Technologien hergestellt wurde. Andernorts in Schweden wurden 3D-druckbare Graphenfilamente entwickelt, was auf eine glänzende Zukunft für kohlenstoffbasierte Metamaterialien in der additiven Fertigung hindeutet.

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