Óxido de grafeno

No linealidad ópticaEditar

Los materiales ópticos no lineales son de gran importancia para la fotónica y la optoelectrónica ultrarrápidas. Recientemente, la no linealidad óptica gigante del óxido de grafeno (GO) ha demostrado ser útil para una serie de aplicaciones. Por ejemplo, la limitación óptica del GO es indispensable para proteger los instrumentos sensibles de los daños inducidos por el láser. Y la absorción saturable puede utilizarse para la compresión de pulsos, el bloqueo de modos y la conmutación Q. Además, la refracción no lineal (efecto Kerr) es crucial para funcionalidades como la conmutación totalmente óptica, la regeneración de señales y las comunicaciones ópticas rápidas.

Una de las propiedades más intrigantes y únicas del GO es que sus propiedades eléctricas y ópticas pueden ajustarse dinámicamente manipulando el contenido de los grupos que contienen oxígeno mediante métodos de reducción química o física. Se ha demostrado la sintonía de las no linealidades ópticas durante todo su proceso de reducción inducida por láser mediante el aumento continuo de la irradiación láser y se han descubierto cuatro etapas de diferentes actividades no lineales, que pueden servir como prometedores materiales de estado sólido para nuevos dispositivos funcionales no lineales. También se ha demostrado que las nanopartículas metálicas pueden mejorar en gran medida la no linealidad óptica y la fluorescencia del óxido de grafeno.

Fabricación de grafenoEditar

El óxido de grafito ha despertado mucho interés como posible vía para la producción y manipulación a gran escala del grafeno, un material con extraordinarias propiedades electrónicas. El óxido de grafito es en sí mismo un aislante, casi un semiconductor, con una conductividad diferencial entre 1 y 5×10-3 S/cm a una tensión de polarización de 10 V. Sin embargo, al ser hidrófilo, el óxido de grafito se dispersa fácilmente en el agua, rompiéndose en copos macroscópicos, en su mayoría de una capa de espesor. La reducción química de estos copos daría lugar a una suspensión de copos de grafeno. La primera observación experimental del grafeno fue comunicada por Hanns-Peter Boehm en 1962. En este primer trabajo se demostró la existencia de copos de óxido de grafeno reducidos en una sola capa. La contribución de Boehm ha sido reconocida recientemente por Andre Geim, premio Nobel de investigación sobre el grafeno.

La reducción parcial puede lograrse tratando el óxido de grafeno en suspensión con hidrato de hidracina a 100 °C durante 24 horas, exponiendo el óxido de grafeno a un plasma de hidrógeno durante unos segundos, o mediante la exposición a un fuerte pulso de luz, como el de un flash de xenón. Debido al protocolo de oxidación, los múltiples defectos ya presentes en el óxido de grafeno dificultan la eficacia de la reducción. Así, la calidad del grafeno obtenido tras la reducción está limitada por la calidad del precursor (óxido de grafeno) y la eficacia del agente reductor. Sin embargo, la conductividad del grafeno obtenido por esta vía es inferior a 10 S/cm, y la movilidad de carga está entre 0,1 y 10 cm2/Vs. Estos valores son mucho mayores que los del óxido, pero siguen siendo unos órdenes de magnitud inferiores a los del grafeno prístino. Recientemente se ha optimizado el protocolo de síntesis del óxido de grafeno y se ha obtenido un óxido de grafeno casi intacto con un armazón de carbono conservado. La reducción de este óxido de grafeno casi intacto tiene un rendimiento mucho mayor y los valores de movilidad de los portadores de carga superan los 1000 cm2/Vs para la mejor calidad de las escamas. La inspección con el microscopio de fuerza atómica muestra que los enlaces de oxígeno distorsionan la capa de carbono, creando una pronunciada rugosidad intrínseca en las capas de óxido que persiste tras la reducción. Estos defectos también aparecen en los espectros Raman del óxido de grafeno.

También se pueden producir grandes cantidades de láminas de grafeno mediante métodos térmicos. Por ejemplo, en 2006 se descubrió un método que exfolia y reduce simultáneamente el óxido de grafeno mediante un calentamiento rápido (>2000 °C/min) hasta 1050 °C. A esta temperatura, el dióxido de carbono se libera a medida que se eliminan las funcionalidades del oxígeno y separa explosivamente las láminas a medida que sale.

Exponer una película de óxido de grafito al láser de un DVD LightScribe también ha revelado producir grafeno de calidad a un bajo coste.

El óxido de grafeno también se ha reducido a grafeno in situ, utilizando un patrón impreso en 3D de bacterias E. coli de ingeniería.

Purificación del aguaEditar

Los óxidos de grafito se estudiaron para la desalinización del agua mediante ósmosis inversa a partir de la década de 1960. En 2011 se publicaron investigaciones adicionales.

En 2013 Lockheed Martin anunció su filtro de grafeno Perforene. Lockheed afirma que el filtro reduce los costes energéticos de la desalinización por ósmosis inversa en un 99%. Lockheed afirmó que el filtro era 500 veces más fino que el mejor filtro que había entonces en el mercado, mil veces más resistente y requiere un 1% de la presión. No se esperaba que el producto saliera al mercado hasta 2020.

Otro estudio demostró que el óxido de grafito podía diseñarse para permitir el paso del agua, pero retener algunos iones más grandes. Los capilares estrechos permiten una rápida permeabilidad del agua monocapa o bicapa. Las láminas multicapa tienen una estructura similar a la del nácar, que proporciona resistencia mecánica en condiciones de ausencia de agua. El helio no puede pasar a través de las membranas en condiciones libres de humedad, pero penetra fácilmente cuando se expone a la humedad, mientras que el vapor de agua pasa sin resistencia. Las láminas secas son estancas al vacío, pero sumergidas en agua actúan como tamices moleculares, bloqueando algunos solutos.

Un tercer proyecto produjo láminas de grafeno con poros a subescala (0,40 ± 0,24 nm). El grafeno se bombardeó con iones de galio, que interrumpen los enlaces del carbono. Al grabar el resultado con una solución oxidante se produce un agujero en cada punto golpeado por un ion de galio. El tiempo de permanencia en la solución oxidante determinó el tamaño medio de los poros. La densidad de los poros alcanzó los 5 billones de poros por centímetro cuadrado, manteniendo la integridad estructural. Los poros permitían el transporte de cationes en tiempos de oxidación cortos, lo que es coherente con la repulsión electrostática de los grupos funcionales cargados negativamente en los bordes de los poros. En tiempos de oxidación más largos, las láminas eran permeables a la sal, pero no a las moléculas orgánicas más grandes.

En 2015, un equipo creó una infusión de óxido de grafeno que, en el transcurso de un día, eliminó el 95% de los metales pesados en una solución de agua

Un proyecto colocó átomos de carbono en capas en una estructura de panal, formando un cristal en forma de hexágono que medía unos 0,1 milímetros de ancho y largo, con agujeros subnanométricos. Trabajos posteriores aumentaron el tamaño de la membrana hasta varios milímetros.

El grafeno unido a una estructura de soporte de policarbonato fue inicialmente eficaz para eliminar la sal. Sin embargo, se formaron defectos en el grafeno. Al rellenar los defectos más grandes con nylon y los pequeños con metal de hafnio seguido de una capa de óxido se restableció el efecto de filtración.

En 2016 los ingenieros desarrollaron películas basadas en grafeno que pueden filtrar el agua sucia/salada alimentadas por el sol. Se utilizaron bacterias para producir un material compuesto por dos capas de nanocelulosa. La capa inferior contiene celulosa prístina, mientras que la superior contiene celulosa y óxido de grafeno, que absorbe la luz solar y produce calor. El sistema atrae el agua desde abajo hacia el material. El agua se difunde en la capa superior, donde se evapora y deja atrás cualquier contaminante. El evaporado se condensa en la parte superior, donde puede ser capturado. La película se produce añadiendo repetidamente una capa fluida que se endurece. Las bacterias producen fibras de nanocelulosa con copos de óxido de grafeno intercalados. La película es ligera y fácil de fabricar a escala.

RecubrimientoEditar

Las películas multicapa ópticamente transparentes hechas de óxido de grafeno son impermeables en condiciones secas. Expuestas al agua (o al vapor de agua), permiten el paso de moléculas por debajo de un determinado tamaño. Las películas están formadas por millones de escamas apiladas aleatoriamente, dejando capilares de tamaño nanométrico entre ellas. Al cerrar estos nanocapilares mediante una reducción química con ácido hidroyódico se crean películas de «óxido de grafeno reducido» (r-GO) que son completamente impermeables a los gases, líquidos o sustancias químicas fuertes de más de 100 nanómetros de grosor. La cristalería o las placas de cobre recubiertas con esta «pintura» de grafeno pueden utilizarse como contenedores de ácidos corrosivos. Las películas de plástico recubiertas de grafeno podrían utilizarse en envases médicos para mejorar su vida útil.

Materiales relacionadosEditar

Los copos de óxido de grafeno dispersos también pueden tamizarse a partir de la dispersión (como en la fabricación de papel) y prensarse para hacer un papel de óxido de grafeno extremadamente resistente.

El óxido de grafeno se ha utilizado en aplicaciones de análisis de ADN. La gran superficie plana del óxido de grafeno permite el apagado simultáneo de múltiples sondas de ADN etiquetadas con diferentes colorantes, proporcionando la detección de múltiples objetivos de ADN en la misma solución. Otros avances en los sensores de ADN basados en el óxido de grafeno podrían dar lugar a análisis de ADN rápidos y muy económicos. Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de L’Aquila (Italia) descubrió nuevas propiedades de humectación del óxido de grafeno reducido térmicamente en ultravacío hasta 900 °C. Encontraron una correlación entre la composición química de la superficie, la energía libre de la superficie y sus componentes polares y dispersivos, lo que da una explicación a las propiedades de humectación del óxido de grafeno y del óxido de grafeno reducido.

Electrodo de batería recargable flexibleEditar

El óxido de grafeno se ha demostrado como material flexible de ánodo de batería libre para baterías de iones de litio y de sodio a temperatura ambiente. También se está estudiando como agente conductor de alta superficie en cátodos de baterías de litio-azufre. Los grupos funcionales del óxido de grafeno pueden servir como sitios para la modificación química y la inmovilización de especies activas. Este enfoque permite crear arquitecturas híbridas para materiales de electrodos. Ejemplos recientes de esto se han implementado en las baterías de iones de litio, que son conocidas por ser recargables a costa de bajos límites de capacidad. En investigaciones recientes se ha demostrado que los compuestos basados en óxido de grafeno funcionalizados con óxidos y sulfuros metálicos inducen un mayor rendimiento de las baterías. Esto también se ha adaptado a aplicaciones en supercondensadores, ya que las propiedades electrónicas del óxido de grafeno le permiten eludir algunas de las restricciones más frecuentes de los típicos electrodos de óxido de metales de transición. La investigación en este campo se está desarrollando, con la exploración adicional de métodos que implican el dopaje de nitrógeno y el ajuste del pH para mejorar la capacitancia. Además, se están investigando las láminas de óxido de grafeno reducido, que presentan propiedades electrónicas superiores a las del grafeno puro. Las aplicaciones de óxido de grafeno reducido aumentan en gran medida la conductividad y la eficiencia, al tiempo que sacrifican cierta flexibilidad e integridad estructural.

Lente de óxido de grafenoEditar

La lente óptica ha desempeñado un papel fundamental en casi todos los ámbitos de la ciencia y la tecnología desde su invención hace unos 3000 años. Con los avances en las técnicas de micro y nanofabricación, siempre se ha solicitado la miniaturización continua de las lentes ópticas convencionales para diversas aplicaciones como las comunicaciones, los sensores, el almacenamiento de datos y una amplia gama de otras industrias impulsadas por la tecnología y el consumo. En concreto, los tamaños cada vez más pequeños, así como los grosores más finos de las microlentes, son muy necesarios para la óptica de sub-longitud de onda o la nano-óptica con estructuras extremadamente pequeñas, especialmente para las aplicaciones visibles y cercanas al infrarrojo. Además, a medida que la escala de distancia para las comunicaciones ópticas se reduce, los tamaños de las características requeridas de las microlentes se reducen rápidamente.

Recientemente, las excelentes propiedades del recién descubierto óxido de grafeno proporcionan soluciones novedosas para superar los retos de los actuales dispositivos de enfoque planar. En concreto, se ha demostrado la modificación gigante del índice de refracción (tan grande como 10^-1), que es un orden de magnitud mayor que los materiales actuales, entre el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO) mediante la manipulación dinámica de su contenido de oxígeno utilizando el método de escritura directa con láser (DLW). Como resultado, el grosor total de la lente puede reducirse potencialmente en más de diez veces. Asimismo, se ha comprobado que la absorción óptica lineal del GO aumenta a medida que se profundiza en la reducción del GO, lo que da lugar a un contraste de transmisión entre el GO y el rGO y, por tanto, proporciona un mecanismo de modulación de la amplitud. Además, tanto el índice de refracción como la absorción óptica no presentan dispersión en un amplio rango de longitudes de onda, desde el visible hasta el infrarrojo cercano. Por último, la película de GO ofrece una capacidad de modelado flexible mediante el método DLW sin máscara, lo que reduce la complejidad y los requisitos de fabricación.

Como resultado, se ha realizado recientemente una nueva lente plana ultrafina sobre una película fina de GO utilizando el método DLW. La ventaja distintiva de la lente plana de GO es que se puede lograr simultáneamente la modulación de fase y la modulación de amplitud, que se atribuyen a la modulación del índice de refracción gigante y a la absorción óptica lineal variable de GO durante su proceso de reducción, respectivamente. Debido a la capacidad mejorada de conformación del frente de onda, el grosor de la lente se reduce a la escala de sub-longitud de onda (~200 nm), que es más fina que todas las lentes dieléctricas actuales (escala de ~ µm). Las intensidades de enfoque y la distancia focal pueden controlarse eficazmente variando las potencias del láser y los tamaños de las lentes, respectivamente. Mediante el uso de un objetivo de alta AN por inmersión en aceite durante el proceso DLW, se ha conseguido un tamaño de fabricación de 300 nm en la película de GO y, por tanto, el tamaño mínimo de la lente se ha reducido a 4,6 µm de diámetro, que es la microlente planar más pequeña y sólo puede realizarse con metasuperficie mediante FIB. A partir de ahí, la longitud focal puede reducirse hasta 0,8 µm, lo que aumentaría potencialmente la apertura numérica (NA) y la resolución de enfoque.

Se ha demostrado experimentalmente que la anchura completa a la mitad máxima (FWHM) de 320 nm en el punto focal mínimo utilizando un haz de entrada de 650 nm, lo que corresponde a la apertura numérica efectiva (NA) de 1,24 (n=1,5), la mayor NA de las microlentes actuales. Además, se ha logrado la capacidad de enfoque de banda ultra-ancha desde 500 nm hasta 2 µm con la misma lente planar, lo que sigue siendo un reto importante de enfoque en el rango infrarrojo debido a la limitada disponibilidad de materiales adecuados y tecnología de fabricación. Lo más importante es que las películas finas de GO sintetizadas de alta calidad pueden integrarse de forma flexible en varios sustratos y fabricarse fácilmente mediante el método DLW de un solo paso en una gran superficie a un coste y una potencia bajos comparables (~nJ/pulso), lo que finalmente hace que las lentes planas de GO sean prometedoras para varias aplicaciones prácticas.

Conversión de energíaEditar

La división fotocatalítica del agua es un proceso de fotosíntesis artificial en el que el agua se disocia en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), utilizando luz artificial o natural. Actualmente se están investigando métodos como la división fotocatalítica del agua para producir hidrógeno como fuente de energía limpia. La superior movilidad de los electrones y la elevada superficie de las láminas de óxido de grafeno sugieren que puede aplicarse como catalizador que cumpla los requisitos de este proceso. En concreto, los grupos funcionales de composición del óxido de grafeno, epóxido (-O-) e hidróxido (-OH), permiten un control más flexible en el proceso de división del agua. Esta flexibilidad puede utilizarse para adaptar la brecha de banda y las posiciones de banda que se persiguen en la división fotocatalítica del agua. Recientes experimentos de investigación han demostrado que la actividad fotocatalítica del óxido de grafeno que contiene una brecha de banda dentro de los límites requeridos ha producido resultados efectivos de división, particularmente cuando se utiliza con una cobertura del 40-50% en una relación hidróxido:epóxido de 2:1. Cuando se utiliza en materiales compuestos con CdS (un catalizador típico utilizado en la división fotocatalítica del agua), se ha demostrado que los nanocompuestos de óxido de grafeno muestran un aumento de la producción de hidrógeno y de la eficiencia cuántica.

Almacenamiento de hidrógenoEditar

El óxido de grafeno también se está explorando por sus aplicaciones en el almacenamiento de hidrógeno. Las moléculas de hidrógeno pueden almacenarse entre los grupos funcionales basados en el oxígeno que se encuentran en toda la lámina. Esta capacidad de almacenamiento de hidrógeno puede manipularse aún más modulando la distancia entre capas de las láminas, así como realizando cambios en el tamaño de los poros. La investigación sobre la decoración de metales de transición en sorbentes de carbono para mejorar la energía de unión del hidrógeno ha llevado a experimentos con titanio y magnesio anclados a grupos hidroxilos, lo que permite la unión de múltiples moléculas de hidrógeno.