Oxid grafitový

Optická nelinearitaEdit

Nelineární optické materiály mají velký význam pro ultrarychlou fotoniku a optoelektroniku. V poslední době se ukázalo, že obří optické nelinearity oxidu grafenu (GO) jsou užitečné pro řadu aplikací. Například optické omezení GO je nepostradatelné pro ochranu citlivých přístrojů před poškozením způsobeným laserem. A sytá absorpce může být využita pro kompresi pulzů, blokování módů a přepínání Q. Také nelineární refrakce (Kerrův jev) má zásadní význam pro funkce včetně celooptického přepínání, regenerace signálu a rychlé optické komunikace.

Jednou z nejzajímavějších a jedinečných vlastností GO je, že jeho elektrické a optické vlastnosti lze dynamicky ladit manipulací s obsahem skupin obsahujících kyslík buď chemickými, nebo fyzikálními redukčními metodami. Ladění optických nelinearit bylo prokázáno během celého procesu jeho laserem indukované redukce pomocí kontinuálního zvyšování intenzity laserového záření a byly objeveny čtyři stupně různých nelineárních aktivit, které mohou sloužit jako slibné materiály v pevné fázi pro nová nelineární funkční zařízení. Je také prokázáno, že kovové nanočástice mohou výrazně zvýšit optickou nelinearitu a fluorescenci oxidu grafenu.

Výroba grafenuEdit

Oxid grafitu vzbudil velký zájem jako možná cesta pro velkokapacitní výrobu a manipulaci s grafenem, materiálem s mimořádnými elektronickými vlastnostmi. Samotný oxid grafitový je izolant, téměř polovodič, s diferenciální vodivostí mezi 1 a 5×10-3 S/cm při napětí předpětí 10 V. Protože je však oxid grafitový hydrofilní, snadno se rozptyluje ve vodě a rozpadá se na makroskopické vločky, většinou o tloušťce jedné vrstvy. Chemickou redukcí těchto vloček vznikne suspenze grafenových vloček. Tvrdilo se, že první experimentální pozorování grafenu oznámil Hanns-Peter Boehm v roce 1962. V této rané práci byla prokázána existence jednovrstvých redukovaných vloček oxidu grafenu. Boehmův přínos nedávno ocenil Andre Geim, nositel Nobelovy ceny za výzkum grafenu.

Částečné redukce lze dosáhnout ošetřením suspendovaného oxidu grafenu hydrazinhydrátem při teplotě 100 °C po dobu 24 hodin, vystavením oxidu grafenu vodíkovému plazmatu po dobu několika sekund nebo vystavením silnému světelnému impulsu, například xenonovému záblesku. V důsledku oxidačního protokolu brání účinnosti redukce rozmanité defekty, které jsou v oxidu grafenu již přítomny. Kvalita grafenu získaného po redukci je tedy omezena kvalitou prekurzoru (oxidu grafenu) a účinností redukčního činidla. Vodivost grafenu získaného touto cestou je však nižší než 10 S/cm a pohyblivost náboje se pohybuje mezi 0,1 a 10 cm2/Vs. Tyto hodnoty jsou mnohem vyšší než u oxidu, ale stále o několik řádů nižší než u nedotčeného grafenu. Nedávno byl optimalizován syntetický protokol pro oxid grafitu a byl získán téměř neporušený oxid grafenu se zachovanou uhlíkovou kostrou. Redukce tohoto téměř neporušeného oxidu grafenu probíhá mnohem lépe a hodnoty pohyblivosti nosičů náboje přesahují 1000 cm2/Vs u nejkvalitnějších vloček. Kontrola pomocí mikroskopu atomárních sil ukazuje, že kyslíkové vazby narušují vrstvu uhlíku a vytvářejí výraznou vnitřní drsnost ve vrstvách oxidu, která přetrvává i po redukci. Tyto vady se projevují také v Ramanových spektrech oxidu grafenu.

Velké množství grafenových listů lze vyrobit také tepelnými metodami. Například v roce 2006 byla objevena metoda, která rychlým zahříváním (>2000 °C/min) na 1050 °C současně exfoliuje a redukuje oxid grafitový. Při této teplotě se při odstraňování kyslíkových funkcí uvolňuje oxid uhličitý, který při výstupu explozivně odděluje listy.

Vystavení vrstvy oxidu grafitu laseru LightScribe DVD také odhalilo, že lze vyrábět kvalitní grafen za nízkou cenu.

Oxid grafenu byl také redukován na grafen in situ pomocí 3D tištěného vzoru upravených bakterií E. coli.

Čištění vodyEdit

Oxidy grafenu byly studovány pro odsolování vody pomocí reverzní osmózy od 60. let 20. století. V roce 2011 byl zveřejněn další výzkum.

V roce 2013 oznámila společnost Lockheed Martin svůj grafenový filtr Perforene. Lockheed tvrdí, že filtr snižuje energetické náklady na odsolování reverzní osmózou o 99 %. Lockheed tvrdil, že filtr je 500krát tenčí než nejlepší filtr, který byl tehdy na trhu, tisíckrát silnější a vyžaduje 1 % tlaku. Očekávalo se, že výrobek bude uveden na trh až v roce 2020.

Další studie ukázala, že oxid grafitový lze upravit tak, aby propouštěl vodu, ale zadržoval některé větší ionty. Úzké kapiláry umožňují rychlý průnik jednovrstvé nebo dvouvrstvé vody. Vícevrstvé lamináty mají strukturu podobnou perleti, která zajišťuje mechanickou pevnost za podmínek bez vody. Helium nemůže projít membránami za podmínek bez vlhkosti, ale snadno proniká, když je vystaveno vlhkosti, zatímco vodní pára prochází bez odporu. Suché lamináty jsou vakuově těsné, ale ponořené do vody fungují jako molekulární síta a blokují některé rozpuštěné látky.

Třetí projekt vytvořil grafenové listy se subnanoskalárními (0,40 ± 0,24 nm) póry. Grafen byl bombardován ionty galia, které narušují uhlíkové vazby. Leptáním výsledku oxidačním roztokem vznikne v každém místě zasaženém galliovým iontem díra. Délka pobytu v oxidačním roztoku určila průměrnou velikost pórů. Hustota pórů dosáhla 5 bilionů pórů na centimetr čtvereční při zachování strukturální integrity. Póry umožňovaly transport kationtů při krátkých oxidačních časech, což odpovídá elektrostatickému odpuzování od záporně nabitých funkčních skupin na okrajích pórů. Při delších oxidačních časech byly listy propustné pro soli, ale ne pro větší organické molekuly.

V roce 2015 tým vytvořil čaj z oxidu grafenu, který v průběhu jednoho dne odstranil 95 % těžkých kovů ve vodném roztoku

Jedním z projektů byly atomy uhlíku navrstveny do voštinové struktury a vytvořily krystal ve tvaru šestiúhelníku o šířce a délce asi 0,1 milimetru se subnanometrovými otvory. Pozdější práce zvětšily velikost membrány na řádově několik milimetrů.

Grafen připojený k polykarbonátové nosné struktuře byl zpočátku účinný při odstraňování soli. V grafenu se však vytvořily defekty. Vyplnění větších defektů nylonem a malých defektů kovovým hafniem s následnou vrstvou oxidu obnovilo filtrační účinek.

V roce 2016 vyvinuli inženýři filmy na bázi grafenu, které mohou filtrovat špinavou/slanou vodu poháněnou sluncem. K výrobě materiálu složeného ze dvou vrstev nanocelulózy byly použity bakterie. Spodní vrstva obsahuje nedotčenou celulózu, zatímco horní vrstva obsahuje celulózu a oxid grafenu, který absorbuje sluneční světlo a produkuje teplo. Systém nasává vodu zespodu do materiálu. Voda difunduje do vyšší vrstvy, kde se odpařuje a zanechává za sebou případné nečistoty. Odpařená voda kondenzuje na horní straně, kde ji lze zachytit. Film se vytváří opakovaným přidáváním tekutého povlaku, který tuhne. Bakterie vytvářejí nanocelulózová vlákna s proloženými vločkami oxidu grafenu. Film je lehký a snadno se vyrábí ve velkém měřítku.

PovlakEdit

Opticky průhledné vícevrstvé filmy vyrobené z oxidu grafenu jsou za sucha nepropustné. Vystaveny působení vody (nebo vodní páry) propouštějí molekuly pod určitou velikost. Filmy se skládají z milionů náhodně poskládaných vloček, mezi nimiž zůstávají kapiláry o velikosti nano. Uzavřením těchto nanokapilár pomocí chemické redukce kyselinou jodovou vznikají filmy „redukovaného oxidu grafenu“ (r-GO), které jsou zcela nepropustné pro plyny, kapaliny nebo silné chemikálie o tloušťce větší než 100 nanometrů. Skleněné nádoby nebo měděné desky pokryté takovým grafenovým „nátěrem“ lze použít jako nádoby pro žíravé kyseliny. Plastové fólie potažené grafenem by mohly být použity v lékařských obalech pro zlepšení trvanlivosti.

Související materiályEdit

Dispergované vločky oxidu grafenu lze také prosévat z disperze (jako při výrobě papíru) a lisovat, čímž vznikne mimořádně pevný papír z oxidu grafenu.

Oxid grafenu byl použit v aplikacích pro analýzu DNA. Velký planární povrch oxidu grafenu umožňuje současné zhášení více sond DNA označených různými barvivy, což umožňuje detekci více cílů DNA v jednom roztoku. Další pokrok v oblasti senzorů DNA na bázi oxidu grafenu by mohl vést k velmi levné rychlé analýze DNA. Skupina výzkumníků z univerzity v L’Aquile (Itálie) nedávno objevila nové smáčecí vlastnosti oxidu grafenu tepelně redukovaného v ultravysokém vakuu až na 900 °C. Zjistili korelaci mezi chemickým složením povrchu, volnou energií povrchu a jeho polárními a disperzními složkami, čímž zdůvodnili smáčecí vlastnosti oxidu grafenu a redukovaného oxidu grafenu.

Flexibilní elektroda dobíjecích bateriíEdit

Oxid grafenu byl demonstrován jako flexibilní volně stojící anodový materiál pro lithium-iontové a sodíkové baterie s pokojovou teplotou. Studuje se také jako vodivá látka s vysokým povrchem v katodách lithium-sírových baterií. Funkční skupiny na oxidu grafenu mohou sloužit jako místa pro chemickou modifikaci a imobilizaci aktivních látek. Tento přístup umožňuje vytvářet hybridní architektury elektrodových materiálů. Nedávné příklady tohoto postupu byly realizovány v lithium-iontových bateriích, které jsou známé tím, že je lze dobíjet za cenu nízkých kapacitních limitů. V nedávném výzkumu bylo prokázáno, že kompozity na bázi oxidu grafenu funkcionalizované oxidy a sulfidy kovů vyvolávají zvýšení výkonu baterií. To bylo podobně přizpůsobeno aplikacím v superkondenzátorech, protože elektronické vlastnosti oxidu grafenu umožňují obejít některá rozšířenější omezení typických elektrod z oxidů přechodných kovů. Výzkum v této oblasti se dále rozvíjí, přičemž se zkoumají další metody zahrnující dopování dusíkem a úpravu pH za účelem zlepšení kapacity. Kromě toho se v současné době zkoumá výzkum redukovaných listů oxidu grafenu, které vykazují vynikající elektronické vlastnosti podobné čistému grafenu. Aplikace redukovaného oxidu grafenu výrazně zvyšuje vodivost a účinnost, zatímco obětuje určitou flexibilitu a strukturální integritu.

Čočka z oxidu grafenuUpravit

Optická čočka hraje od svého vynálezu před zhruba 3000 lety zásadní roli téměř ve všech oblastech vědy a techniky. S pokrokem v mikro- a nanofabrikačních technikách byla vždy požadována pokračující miniaturizace konvenčních optických čoček pro různé aplikace, jako jsou komunikace, senzory, ukládání dat a široká škála dalších odvětví zaměřených na technologie a spotřebitele. Konkrétně jsou stále menší rozměry a také tenčí tloušťky mikročoček velmi potřebné pro subvlnovou optiku nebo nanooptiku s extrémně malými strukturami, zejména pro aplikace ve viditelném a blízkém infračerveném pásmu. Také s tím, jak se zmenšuje měřítko vzdáleností pro optické komunikace, se požadované velikosti prvků mikročoček rychle tlačí dolů.

V poslední době poskytují vynikající vlastnosti nově objeveného oxidu grafenu nová řešení k překonání problémů současných planárních zaostřovacích zařízení. Konkrétně byla prokázána obří změna indexu lomu (až 10^-1), která je o jeden řád větší než u současných materiálů, mezi oxidem grafenu (GO) a redukovaným oxidem grafenu (rGO) dynamickou manipulací s jeho obsahem kyslíku pomocí metody přímého laserového zápisu (DLW). Díky tomu lze potenciálně snížit celkovou tloušťku čočky více než desetkrát. Rovněž bylo zjištěno, že lineární optická absorpce GO se zvyšuje s prohlubující se redukcí GO, což vede k přenosovému kontrastu mezi GO a rGO, a poskytuje tak mechanismus amplitudové modulace. Navíc bylo zjištěno, že jak index lomu, tak optická absorpce jsou bez disperze v širokém rozsahu vlnových délek od viditelné až po blízkou infračervenou oblast. A konečně, GO film nabízí možnost flexibilního vzorování pomocí bezmaskové metody DLW, což snižuje složitost a náročnost výroby.

V důsledku toho byla nedávno realizována nová ultratenká planární čočka na tenkém GO filmu pomocí metody DLW. Výraznou výhodou ploché čočky na GO je, že lze současně dosáhnout fázové modulace a amplitudové modulace, což je dáno obří modulací indexu lomu, respektive proměnnou lineární optickou absorpcí GO během procesu jeho redukce. Díky zvýšené schopnosti tvarování vlnoplochy se tloušťka čočky stlačí na subvlnovou délku (~200 nm), což je tenčí než všechny současné dielektrické čočky (měřítko ~ µm). Intenzitu zaostření a ohniskovou vzdálenost lze účinně řídit změnou výkonu laseru a velikosti čočky. Použitím olejového imerzního objektivu s vysokou NA během procesu DLW byla realizována 300 nm velikost výrobního prvku na GO filmu, a proto se minimální velikost čočky zmenšila na 4,6 µm v průměru, což je nejmenší planární mikročočka a lze ji realizovat pouze s metapovrchem pomocí FIB. Poté lze ohniskovou vzdálenost zmenšit až na 0,8 µm, což by potenciálně zvýšilo numerickou aperturu (NA) a zaostřovací rozlišení.

Experimentálně byla prokázána plná šířka v polovině maxima (FWHM) 320 nm v minimálním ohniskovém bodě při použití vstupního svazku 650 nm, což odpovídá efektivní numerické apertuře (NA) 1,24 (n=1,5), což je největší NA ze současných mikročoček. Kromě toho byla se stejnou planární čočkou realizována schopnost ultraširokopásmového zaostřování od 500 nm až do vzdálenosti 2 µm, což je stále velkou výzvou zaostřování v infračervené oblasti kvůli omezené dostupnosti vhodných materiálů a výrobní technologie. Nejdůležitější je, že syntetizované vysoce kvalitní tenké vrstvy GO lze flexibilně integrovat na různé substráty a snadno vyrobit pomocí jednokrokové metody DLW na velké ploše při srovnatelně nízkých nákladech a výkonu (~nJ/puls), což nakonec činí ploché čočky GO slibnými pro různé praktické aplikace.

Konverze energieEdit

Fotokatalytické štěpení vody je proces umělé fotosyntézy, při kterém se voda disociuje na vodík (H2) a kyslík (O2) pomocí umělého nebo přirozeného světla. Metody, jako je fotokatalytické štěpení vody, jsou v současné době zkoumány za účelem výroby vodíku jako čistého zdroje energie. Vynikající pohyblivost elektronů a vysoká plocha povrchu listů oxidu grafenu naznačují, že by mohl být použit jako katalyzátor, který splňuje požadavky pro tento proces. Konkrétně funkční skupiny epoxidu (-O-) a hydroxidu (-OH) ve složení oxidu grafenu umožňují flexibilnější řízení procesu štěpení vody. Tuto flexibilitu lze využít k přizpůsobení pásové mezery a polohy pásů, které jsou cílem fotokatalytického štěpení vody. Nedávné výzkumné experimenty prokázaly, že fotokatalytická aktivita oxidu grafenu obsahujícího pásovou mezeru v požadovaných mezích přinesla účinné výsledky štěpení, zejména při použití s 40-50% pokrytím v poměru 2:1 hydroxid:epoxid. Při použití v kompozitních materiálech s CdS (typický katalyzátor používaný při fotokatalytickém štěpení vody) se ukázalo, že nanokompozity oxidu grafenu vykazují zvýšenou produkci vodíku a kvantovou účinnost.

Skladování vodíkuEdit

Oxid grafenu se zkoumá také z hlediska jeho využití při skladování vodíku. Molekuly vodíku lze ukládat mezi funkční skupiny na bázi kyslíku, které se nacházejí v celém listu. Tuto schopnost skladování vodíku lze dále manipulovat modulací mezivrstevní vzdálenosti mezi listy a také změnami velikosti pórů. Výzkum zdobení uhlíkových sorbentů přechodnými kovy za účelem zvýšení vazebné energie vodíku vedl k experimentům s titanem a hořčíkem ukotvenými k hydroxylovým skupinám, což umožňuje vázat více molekul vodíku.

.