Οι επιστήμονες ανακάλυψαν γιατί το οξείδιο του γραφενίου δεν καίγεται μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες, αλλά ανοίγει την πόρτα σε μια πολλά υποσχόμενη και φθηνή μέθοδο παραγωγής γραφενίου. Η έρευνα βρίσκεται στο περιοδικό Carbon.
Έχει περάσει περισσότερο από μια δεκαετία από τότε που απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ για πειραματική έρευνα στο γραφένιο, αλλά οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη βρει τρόπο να αποκτήσουν υψηλής ποιότητας γραφένιο μεγάλης επιφάνειας που θα είναι φθηνό, αποτελεσματικό και αρκετά κλιμακωτό για να ανταποκρίνεται στη βιομηχανία ανάγκες των. Η μείωση του γραφενίου από το οξείδιο του γραφενίου με ακτινοβολία λέιζερ φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση: Με τη χρήση χημικών μεθόδων για την παρασκευή οξειδίου του γραφενίου από συνηθισμένο γραφίτη, η τεχνολογία αναγωγής με τη βοήθεια λέιζερ υπόσχεται πολλά όσον αφορά το κόστος και τον έλεγχο ποιότητας του υλικού.
Πριν από μερικά χρόνια, μια ομάδα ερευνητών από τη Skoltech ανακάλυψε ότι το οξείδιο του γραφενίου μπορεί να θερμανθεί σε 3300-3800 K, ακόμη και κάτω από ατμοσφαιρικές συνθήκες, για να παραχθεί γραφένιο αρκετά υψηλής ποιότητας.
Ο Nikita Orekhov είπε: "Αυτό το αποτέλεσμα εξέπληξε τους συναδέλφους μας: η θερμοκρασία ήταν πολύ υψηλή, αλλά πήραν ένα καλά δομημένο υλικό. Τα υλικά άνθρακα καίγονται εύκολα σε ατμοσφαιρικό οξυγόνο σε 600-800 Κ ή υψηλότερα, ενώ σε πειράματα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, Το γραφένιο επιτυγχάνει καλές δομικές ιδιότητες». Ο Nikita Orekhov, αναπληρωτής διευθυντής του Εργαστηρίου Μεθόδων Υπερυπολογιστών Φυσικής Συμπυκνωμένης ύλης του MIT, δήλωσε: «Για να μάθουμε την αιτία αυτού του απροσδόκητου αποτελέσματος, αποφασίσαμε να μελετήσουμε τη διαδικασία μείωσης του οξειδίου του γραφενίου σε υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιώντας ατομικά μοντέλα υπερυπολογιστή και να πραγματοποιήσουμε πρόσθετα μελέτες ακολουθώντας τον πειραματικό σχεδιασμό των συναδέλφων μας».
Κάτω από τη δράση του παλμού λέιζερ, τα με κόκκινο σημάδι άτομα άνθρακα στο όριο του φύλλου γραφενίου «καίγονται». Β - Στην κεντρική περιοχή του φύλλου γραφενίου, λαμβάνει χώρα ανόπτηση: το γραφένιο είναι διατεταγμένο στη σωστή σταθερή δομή.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, αφενός, σε υψηλές θερμοκρασίες (T> 3000k) τα άτομα οξυγόνου στο περιβάλλον του αερίου αλληλεπιδρούν με το γραφένιο, οξειδώνοντάς το και καταστρέφοντάς το. Από την άλλη πλευρά, η ταχεία ανόπτηση του κρυσταλλικού πλέγματος ξεκινά στην ίδια θερμοκρασία, η οποία επιτρέπει την εξάλειψη των ελαττωμάτων. Κατά τη διάρκεια της ανόπτησης, η δομή του πλέγματος ισιώνει αντί να αποσυντίθεται.
Οι καμπύλες θερμοκρασίας και αναλογίας I(G)/I(D) της συστοιχίας rGO μειώνονται σε διαφορετικές ταχύτητες λέιζερ και ρυθμούς επανάληψης παλμών.
«Αποδεικνύεται ότι δύο αντίθετες διεργασίες συμβαίνουν ταυτόχρονα σε διαφορετικές θέσεις του υλικού που εκτίθεται στους παλμούς λέιζερ: η καύση ή η καταστροφή συγκεντρώνεται κοντά στα ελαττώματα και τα όρια των φύλλων γραφενίου, όπου τα άτομα άνθρακα έχουν την πιο ενεργή χημική δραστηριότητα, ενώ ανόπτονται. εμφανίζεται κυρίως στο κέντρο των φύλλων, όπου τα άτομα τείνουν να επανέλθουν σε μια σταθερή διαμόρφωση." Stanislav Evlashin, Κύριος ερευνητής στο Κέντρο Τεχνολογίας Υλικών της Skoltech (CMT).
Τα ευρήματα ρίχνουν φως στο πώς συμπεριφέρεται το οξείδιο του γραφενίου σε ακραίες θερμοκρασίες, όπου τα άμεσα πειράματα είναι σχεδόν αδύνατα. Η κατανόηση της διαδικασίας που περιγράφεται σε αυτό το έγγραφο μπορεί να βοηθήσει στην περαιτέρω ανάπτυξη και βελτιστοποίηση μεθόδων για την απόκτηση γραφενίου υψηλής ποιότητας μονοκρύσταλλου μεγάλης περιοχής.
Ατομική δομή (α) και σχήμα θερμικής κατάστασης (β) του GO. Η χρονική εξέλιξη του συνολικού ατομικού αριθμού (c), του ατομικού αριθμού άνθρακα (d) και του ατομικού αριθμού οξυγόνου (e) κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Τα άτομα άνθρακα, οξυγόνου και υδρογόνου εμφανίζονται με μπλε, κόκκινο και γκρι, αντίστοιχα.
Πηγή: Μηχανισμός μείωσης λέιζερ οξειδίου του γραφενίου σε συνθήκες περιβάλλοντος: Experimental and ReaxFF μελέτη, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018;Controllable Laser Reduction of Graphene Oxide Films for Photoelectronic Applications, ACSAapplied Materials & Interfaces (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145