معمای رفتار گرافن حل شد

 دانشمندان با کمک شبیه‌سازی‌های مبتنی بر یادگیری ماشین ثابت کردند گرافن ذاتاً ماده‌ای آب‌گریز است، نه آب‌دوست. آنچه در آزمایش‌های قبلی باعث سردرگمی پژوهشگران شده بود، در واقع لایه‌های پنهان آب زیر گرافن بوده است.

به گزارش عصر رویداد از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این کشف می‌تواند در توسعه فناوری‌هایی مانند نمک‌زدایی آب، پیل‌های سوختی هیدروژنی و تجهیزات نانوالکترونیکی تحول ایجاد کند.

پژوهشگران «مؤسسه علوم پایه» (Institute for Basic Science) کره‌جنوبی با استفاده از شبیه‌سازی‌های پیشرفته مبتنی بر یادگیری ماشین، به یکی از قدیمی‌ترین مناقشه‌های علمی درباره گرافن پایان دادند و نشان دادند این نانوماده مشهور ذاتاً آب‌گریز است.

این کشف می‌تواند درک دانشمندان از رفتار آب در مقیاس نانو را متحول کرده و مسیر توسعه فناوری‌هایی مانند غشاهای نمک‌زدایی، پیل‌های سوختی هیدروژنی و تجهیزات الکترونیکی انعطاف‌پذیر را تغییر دهد.

بشر بیش از یک دهه درباره این بحث می‌کرد که آیا یک لایه کربنی به ضخامت یک اتم آب را دوست دارد یا نه. تمدن ما ظاهراً به نقطه‌ای رسیده که حتی احساسات مولکول‌های آب نسبت به کربن هم به موضوعی استراتژیک تبدیل شده است.

گرافن، ماده‌ای فوق‌العاده نازک با ضخامت تنها یک اتم، سال‌هاست به عنوان یکی از شگفت‌انگیزترین مواد شناخته‌شده در دنیای فناوری مطرح است. استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی چشمگیر، شفافیت و انعطاف‌پذیری، این ماده را به گزینه‌ای ایده‌آل برای نسل آینده فناوری‌های پیشرفته تبدیل کرده است. با این حال، در میان تمام ویژگی‌های شناخته‌شده گرافن، یک پرسش بنیادین همچنان دانشمندان را سردرگم نگه داشته بود: آیا گرافن آب را جذب می‌کند یا آن را پس می‌زند؟

این پرسش در ظاهر ساده به نظر می‌رسد، اما پاسخ آن برای توسعه بسیاری از فناوری‌های نوین اهمیت حیاتی دارد. در برخی آزمایش‌ها، قطرات آب روی سطح گرافن جمع می‌شدند و شکلی کروی به خود می‌گرفتند؛ رفتاری که نشان می‌دهد سطح ماده آب‌گریز است. اما در آزمایش‌هایی دیگر، آب روی گرافن پخش می‌شد و رفتاری شبیه مواد آب‌دوست از خود نشان می‌داد. همین تناقض، طی بیش از یک دهه به یکی از بحث‌برانگیزترین موضوعات در حوزه نانوفناوری تبدیل شد.

اهمیت این موضوع تنها به یک اختلاف نظری علمی محدود نمی‌شود. رفتار آب در تماس با گرافن نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد فناوری‌هایی مانند غشاهای نمک‌زدایی آب، سلول‌های سوختی هیدروژنی، حسگرهای زیستی و تجهیزات نانوالکترونیکی دارد. در بسیاری از این سامانه‌ها، کنترل دقیق برهم‌کنش آب با سطح مواد، عامل اصلی تعیین بازده و کارایی دستگاه است.

اکنون گروهی از پژوهشگران به سرپرستی «چو مین‌هاِنگ» و «اشتفان رینگه» از مرکز طیف‌سنجی و دینامیک مولکولی وابسته به مؤسسه علوم پایه و با همکاری دانشگاه کره موفق شده‌اند این معمای طولانی‌مدت را حل کنند.

نتایج پژوهش آنها که در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده، نشان می‌دهد گرافن خالص ذاتاً ماده‌ای آب‌گریز است و تصور «شفافیت خیس‌شوندگی» که سال‌ها درباره آن مطرح می‌شد، در واقع ناشی از یک خطای تفسیری بوده است.

نظریه «شفافیت خیس‌شوندگی» بر این ایده استوار بود که گرافن به دلیل ضخامت بسیار کم خود، نمی‌تواند ویژگی‌های سطح زیرین را پنهان کند. به بیان ساده، دانشمندان تصور می‌کردند آب هنگام تماس با گرافن، در واقع ماده زیر آن را حس می‌کند، نه خود گرافن را. اگر این نظریه درست بود، گرافن عملاً رفتار ذاتی مشخصی در برابر آب نداشت و تنها مانند یک لایه نامرئی عمل می‌کرد.

اما بررسی مستقیم این مسئله در مقیاس اتمی کار ساده‌ای نبود. روش‌های معمول اندازه‌گیری، مانند بررسی زاویه تماس قطرات آب، تنها اطلاعاتی در مقیاس بزرگ ارائه می‌کنند و نمی‌توانند رفتار دقیق مولکول‌های آب را در سطح اتمی نشان دهند. به همین دلیل، پژوهشگران کره‌ای تصمیم گرفتند از ترکیب هوش مصنوعی و شبیه‌سازی‌های کوانتومی برای حل این مسئله استفاده کنند.

آنها نوعی «آزمایشگاه دیجیتال» بسیار دقیق طراحی کردند که می‌توانست رفتار مولکول‌های آب را در مجاورت گرافن شبیه‌سازی کند. در این سامانه، از مدل‌های یادگیری ماشین مبتنی بر محاسبات شیمی کوانتومی استفاده شد تا دقتی نزدیک به محاسبات بنیادی فیزیک به دست آید، اما با سرعتی بسیار بالاتر. این روش امکان بررسی جزئیات رفتار آب در سطح گرافن را با دقتی بی‌سابقه فراهم کرد.

نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد مولکول‌های آب در نزدیکی گرافن رفتاری مشابه تماس با سطوح آب‌گریز از خود نشان می‌دهند. پژوهشگران ساختارهایی موسوم به «پیوندهای معلق O-H» را مشاهده کردند؛ حالتی که در آن یکی از اتم‌های هیدروژن مولکول آب به سمت سطح گرافن قرار می‌گیرد، بدون آنکه پیوند هیدروژنی تشکیل دهد. این رفتار یکی از شاخص‌های شناخته‌شده سطوح آب‌گریز است.

بررسی‌ها همچنین نشان داد هرچه تعداد لایه‌های گرافن بیشتر شود، خاصیت آب‌گریزی آن نیز تقویت می‌شود. این یافته می‌تواند در طراحی غشاهای چندلایه و تجهیزات مبتنی بر گرافن اهمیت زیادی داشته باشد.

اما نکته کلیدی که معمای سال‌های گذشته را حل کرد، کشف نقش آب پنهان‌شده زیر لایه گرافن بود. پژوهشگران دریافتند زمانی که گرافن تک‌لایه روی یک سطح آب‌دوست قرار می‌گیرد، مولکول‌های آب می‌توانند به فضای بسیار باریک میان گرافن و بستر زیرین نفوذ کنند. این لایه پنهان آب، ساختاری متفاوت از آب روی سطح گرافن ایجاد می‌کند.

در آزمایش‌های طیف‌سنجی، سیگنال‌های ناشی از آب بالای گرافن و آب محبوس زیر آن به طور هم‌زمان ثبت می‌شوند. نکته عجیب اینجاست که این دو سیگنال می‌توانند بخشی از یکدیگر را خنثی کنند. در نتیجه، اثر واقعی آب‌گریزی گرافن پنهان می‌شود و ماده به اشتباه آب‌دوست به نظر می‌رسد.

«اشتفان رینگه» در توضیح این نتایج گفته است: «رفتار ظاهراً آب‌دوست گرافن ناشی از خود گرافن نیست، بلکه از آب به دام افتاده زیر آن ناشی می‌شود که سیگنال اندازه‌گیری‌شده را تغییر می‌دهد.»

این کشف می‌تواند تأثیر گسترده‌ای بر طراحی نسل آینده فناوری‌های مبتنی بر گرافن داشته باشد. درک دقیق رفتار آب در مرز مشترک مواد نانویی، یکی از کلیدی‌ترین عوامل در توسعه سامانه‌های پیشرفته ذخیره انرژی، تصفیه آب و تجهیزات زیست‌پزشکی به شمار می‌رود.

دانشمندان حالا نه‌تنها باید رفتار مواد را کنترل کنند، بلکه باید مراقب آب‌های پنهانی هم باشند که زیر لایه‌ای به ضخامت یک اتم مخفی شده‌اند و سال‌ها جامعه علمی را سردرگم کرده‌اند.