SCIENZA DEI MATERIALI STUDIO DI BAGNABILITA DELL OSSIDO DI GRAFENE

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1 UNIVERSITÀ DEGLISTUDIDIPADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Dipartimento di Fisica ed Astronomia Galileo Galilei Laurea specialistica in SCIENZA DEI MATERIALI STUDIO DI BAGNABILITA DELL OSSIDO DI GRAFENE Laureando: Filippi Daniele Relatore: Prof. Giampaolo Mistura Correlatori: Dott. Vincenzo Palermo Dott. Emanuele Treossi Anno Accademico

2 Indice Introduzione 1 1 Concetti di bagnabilità Bagnabilità superfici ideali Wetting superfici reali Il modello di Wenzel Il modello di Cassie Grafene e Grafene Ossido Il Grafene Tecniche di preparazione Proprietà fisiche Applicazioni L ossido di Grafene Struttura e propietà Preparazione dei campioni Grafene Ossido 11M Preparazione substrati Silicio e Silicio ossido PDMS e NOA Deposizone GO Misura angolo di contatto Analisi dei dati Bagnabilità substrati di Silicio e Silicio Ossido Bagnabilità campioni drop casting iii

3 iv INDICE Misura degli spessori Angoli di contatto Campioni spin Coating Morfologia ricoprimento Bagnabilità campioni Spin Coating Campioni polimerici Spin Coating Drop casting Conclusioni 61 Bibliografia 63 Ringraziamenti 67

4 Introduzione Sin dalla sua scoperta nel 2004 [1] il grafene ha suscitato un grande interesse in moltissimi settori quali fisica, chimica e scienza dei materiali. Per le sue eccezionali proprietà è oggetto di migliaia di pubblicazioni e ricerche in tutto il mondo. Il grafene è costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, ibridati nella forma sp 2, disposti a formare una struttura reticolare esagonale a nido d ape con angoli di 120 [2]. Le sue proprietà principali risiedono nella perfetta disposizione degli atomi di carbonio dovuta al forte legame esistente tra loro. Allo stesso tempo, i legami sono abbastanza flessibili da permettere uno stiramento fino al 20% della sua dimensione originale [3]. Estremamente leggero viene già utilizzato in molti settori tecnologici che ne sfruttano le uniche proprietà meccaniche di resistenza. Eccellenti proprietà elettriche aprono al grafene strade nell elettronica del futuro; la sua struttura consente agli elettroni di muoversi su lunghe distanze senza subire perturbazioni e questo si traduce in una conducibilità elettrica molto superiore a quella dei normali conduttori. Sono già stati realizzati film conduttivi su substrati flessibili [4], transistor [5] e anche il primo microprocessore contenente grafene [6]. Negli ultimi 5 anni la ricerca scientifica si è concentrata anche su un derivato del grafene: l ossido di grafene. Quest ultimo si presenta sempre come un monostrato atomico di atomi di carbonio a cui sono legati vari gruppi organici conteneti ossigeno: ossidrili, carbonili e carbossilici. La presenza di questi gruppi rende il materiale più reattivo del grafene e facilmente solubile in soluzione acquosa. La funzionalizzazione del grafene ossido permette di modificarne, per via chimica, le proprietà così da poter essere utilizzato in un maggior numero applicazioni. Di questi materiali si conosce molto, ma non tutto; in particolare c è una proprietà, molto singolare, a cui la comunità scientifica stà dando molta rilevanza nell ultimo anno. Il fenomeno prende il nome di wetting trasparency ed è stato 1

5 2 ELENCO DELLE FIGURE visto per la prima volta da alcuni ricercatori del Rensellear Polytechnic Institute (Troy, New York) [7], i quali hanno osservato che la bagnabilità di un substrato ricoperto da un monolayer di grafene non viene alterata dalla presenza del grafene. Ciò significa che una goccia d acqua posta sopra ad un substrato ricoperto da un solo strato di grafene si comporta come se questo non ci fosse. Questo comportamento, unico nel suo genere, è ancora dibattutto in letteratura; numerosi articoli a riguardo alcuni smentiscono questa proprietà [8], altri la confermano solo parzialmente [9]. E chiaro che ancora molto deve essere spiegato, ed il dibattito resta aperto [10]. Questa proprietà e le altre peculiari caratteristiche potrebbero essere sfruttate in diversi settori di ricerca tra i quali la micorfluidica. Questa scienza studia e manipola piccole quantità di fluidi ( litri) [11]. I fluidi, a queste scale, hanno comportamenti differenti rispetto a quelli che hanno a dimensioni macroscopiche: i flussi sono laminari e le forze interfacciali, come la capillarità e le forze di adesione sono predominanti sulla gravità. La microfluidica si può dividere in due filoni; il primo che studia il comportamento di liquidi all interno di microcanali (microfluidica chiusa) ed il secondo che studia il comportamento di liquidi su superfici aperte (microfluidica aperta). Questa lavoro di tesi rientra nell ambito della microfluidica aperta ed ha come oggetto lo studio della bagnabilità di ricoprimenti di grafene ossido depositato su differenti substrati. In particolare nel primo capitolo verrà presentata una breve introduzione sul significato di bagnabilità e come questa viene studiata mediante la misurazione dell angolo di contatto. Nel secondo capitolo saranno presentate le proprietà del grafene e di un suo derivato: il grafene ossido, protagonista di questo lavoro di tesi. Nel terzo verranno descritte in dettaglio le procedure sperimentali seguite per la preparazione e per la caratterizzazione dei campioni. Nel quarto capitolo si illustreranno i dati raccolti ed i primi risultati ottenuti dalle prove di bagnabilità e dalle caratterizzazioni mediante AFM Atomic Force Microscopy. Infine saranno esposte alcune conclusioni tratte dal lavoro svolto e si presenteranno alcuni possibili sviluppi futuri.