Oxyde de graphène

Non-linéarité optiqueEdit

Les matériaux optiques non linéaires sont d’une grande importance pour la photonique et l’optoélectronique ultrarapides. Récemment, les non-linéarités optiques géantes de l’oxyde de graphène (GO) se sont avérées utiles pour un certain nombre d’applications. Par exemple, la limitation optique du GO est indispensable pour protéger les instruments sensibles des dommages induits par le laser. Et l’absorption saturable peut être utilisée pour la compression d’impulsions, le verrouillage de mode et la commutation de qualité. De plus, la réfraction non linéaire (effet Kerr) est cruciale pour des fonctionnalités telles que la commutation tout-optique, la régénération de signaux et les communications optiques rapides.

L’une des propriétés les plus intrigantes et uniques du GO est que ses propriétés électriques et optiques peuvent être accordées dynamiquement en manipulant le contenu des groupes contenant de l’oxygène par des méthodes de réduction chimique ou physique. L’accord des non-linéarités optiques a été démontré pendant tout le processus de réduction induite par laser par une augmentation continue de l’irradiation laser et quatre étapes d’activités non linéaires différentes ont été découvertes, qui peuvent servir de matériaux solides prometteurs pour de nouveaux dispositifs fonctionnels non linéaires. Il est également prouvé que les nanoparticules métalliques peuvent grandement améliorer la non-linéarité optique et la fluorescence de l’oxyde de graphène.

Fabrication de graphèneEdit

L’oxyde de graphite a suscité beaucoup d’intérêt en tant que voie possible pour la production et la manipulation à grande échelle du graphène, un matériau aux propriétés électroniques extraordinaires. L’oxyde de graphite lui-même est un isolant, presque un semi-conducteur, avec une conductivité différentielle comprise entre 1 et 5×10-3 S/cm à une tension de polarisation de 10 V. Cependant, étant hydrophile, l’oxyde de graphite se disperse facilement dans l’eau, se fragmentant en flocons macroscopiques, le plus souvent d’une couche d’épaisseur. La réduction chimique de ces paillettes donnerait une suspension de paillettes de graphène. Il a été avancé que la première observation expérimentale du graphène a été rapportée par Hanns-Peter Boehm en 1962. Dans ces premiers travaux, l’existence de flocons d’oxyde de graphène réduit monocouche a été démontrée. La contribution de Boehm a été récemment reconnue par Andre Geim, le lauréat du prix Nobel pour la recherche sur le graphène.

La réduction partielle peut être obtenue en traitant l’oxyde de graphène en suspension avec de l’hydrate d’hydrazine à 100 °C pendant 24 heures, en exposant l’oxyde de graphène à un plasma d’hydrogène pendant quelques secondes, ou en l’exposant à une forte impulsion de lumière, comme celle d’un flash au Xénon. En raison du protocole d’oxydation, de nombreux défauts déjà présents dans l’oxyde de graphène entravent l’efficacité de la réduction. Ainsi, la qualité du graphène obtenu après réduction est limitée par la qualité du précurseur (oxyde de graphène) et l’efficacité de l’agent réducteur. Cependant, la conductivité du graphène obtenu par cette voie est inférieure à 10 S/cm, et la mobilité des charges est comprise entre 0,1 et 10 cm2/Vs. Ces valeurs sont bien supérieures à celles de l’oxyde, mais restent inférieures de quelques ordres de grandeur à celles du graphène vierge. Récemment, le protocole de synthèse de l’oxyde de graphite a été optimisé et un oxyde de graphène presque intact avec une charpente carbonée préservée a été obtenu. La réduction de cet oxyde de graphène presque intact est beaucoup plus performante et les valeurs de mobilité des porteurs de charge dépassent 1000 cm2/Vs pour la meilleure qualité de paillettes. L’inspection au microscope à force atomique montre que les liaisons oxygène déforment la couche de carbone, créant une rugosité intrinsèque prononcée dans les couches d’oxyde qui persiste après réduction. Ces défauts apparaissent également dans les spectres Raman de l’oxyde de graphène.

De grandes quantités de feuilles de graphène peuvent également être produites par des méthodes thermiques. Par exemple, en 2006, on a découvert une méthode qui exfolie et réduit simultanément l’oxyde de graphite par un chauffage rapide (>2000 °C/min) à 1050 °C. A cette température, le dioxyde de carbone est libéré au fur et à mesure de l’élimination des fonctionnalités de l’oxygène et sépare de manière explosive les feuilles en sortant.

Exposer un film d’oxyde de graphite au laser d’un DVD LightScribe s’est également révélé produire du graphène de qualité à faible coût.

L’oxyde de graphène a également été réduit en graphène in situ, en utilisant un modèle imprimé en 3D de bactéries E. coli modifiées.

Purification de l’eauEdit

Les oxydes de graphite ont été étudiés pour le dessalement de l’eau par osmose inverse à partir des années 1960. En 2011, des recherches supplémentaires ont été publiées.

En 2013, Lockheed Martin a annoncé son filtre à graphène Perforene. Lockheed affirme que le filtre réduit les coûts énergétiques du dessalement par osmose inverse de 99%. Lockheed a affirmé que le filtre était 500 fois plus fin que le meilleur filtre alors sur le marché, mille fois plus fort et nécessite 1% de la pression. Le produit ne devait pas être commercialisé avant 2020.

Une autre étude a montré que l’oxyde de graphite pouvait être conçu pour laisser passer l’eau, mais retenir certains ions plus importants. Des capillaires étroits permettent une perméation rapide par de l’eau monocouche ou bicouche. Les laminés multicouches ont une structure similaire à la nacre, ce qui leur confère une résistance mécanique dans des conditions sans eau. L’hélium ne peut pas traverser les membranes dans des conditions sans humidité, mais pénètre facilement lorsqu’il est exposé à l’humidité, tandis que la vapeur d’eau passe sans résistance. Les laminés secs sont étanches au vide, mais immergés dans l’eau, ils agissent comme des tamis moléculaires, bloquant certains solutés.

Un troisième projet a produit des feuilles de graphène avec des pores subnano-échelle (0,40 ± 0,24 nm). Le graphène a été bombardé avec des ions de gallium, qui perturbent les liaisons entre les atomes de carbone. La gravure du résultat avec une solution oxydante produit un trou à chaque point frappé par un ion de gallium. La durée du séjour dans la solution oxydante a déterminé la taille moyenne des pores. La densité des pores a atteint 5 trillions de pores par centimètre carré, tout en conservant l’intégrité structurelle. Les pores ont permis le transport de cations à des temps d’oxydation courts, ce qui est cohérent avec la répulsion électrostatique des groupes fonctionnels chargés négativement sur les bords des pores. À des temps d’oxydation plus longs, les feuilles étaient perméables au sel mais pas aux molécules organiques plus grandes.

En 2015, une équipe a créé un thé à l’oxyde de graphène qui, au cours d’une journée, a éliminé 95 % des métaux lourds dans une solution aqueuse

Un projet a superposé des atomes de carbone dans une structure en nid d’abeille, formant un cristal en forme d’hexagone qui mesurait environ 0,1 millimètre de largeur et de longueur, avec des trous subnanométriques. Des travaux ultérieurs ont augmenté la taille de la membrane à l’ordre de plusieurs millimètres.

Le graphène attaché à une structure de support en polycarbonate était initialement efficace pour éliminer le sel. Cependant, des défauts se sont formés dans le graphène. Le remplissage des plus gros défauts avec du nylon et des petits défauts avec du hafnium métallique suivi d’une couche d’oxyde a rétabli l’effet de filtration.

En 2016, les ingénieurs ont développé des films à base de graphène qui peuvent filtrer l’eau sale/salée alimentés par le soleil. Des bactéries ont été utilisées pour produire un matériau composé de deux couches de nanocellulose. La couche inférieure contient de la cellulose vierge, tandis que la couche supérieure contient de la cellulose et de l’oxyde de graphène, qui absorbe la lumière du soleil et produit de la chaleur. Le système aspire l’eau du dessous dans le matériau. L’eau se diffuse dans la couche supérieure, où elle s’évapore en laissant derrière elle les contaminants éventuels. L’évaporation se condense sur le dessus, où elle peut être capturée. Le film est produit par l’ajout répété d’une couche fluide qui durcit. Les bactéries produisent des fibres de nanocellulose avec des paillettes d’oxyde de graphène intercalées. Le film est léger et facilement fabriqué à l’échelle.

EnrobageEdit

Des films multicouches transparents optiquement, fabriqués à partir d’oxyde de graphène, sont imperméables dans des conditions sèches. Exposés à l’eau (ou à la vapeur d’eau), ils laissent passer les molécules inférieures à une certaine taille. Les films sont constitués de millions de paillettes empilées de manière aléatoire, laissant entre elles des capillaires de taille nanométrique. En fermant ces nanocapillaires par réduction chimique avec de l’acide iodhydrique, on obtient des films d' »oxyde de graphène réduit » (r-GO) totalement imperméables aux gaz, aux liquides ou aux produits chimiques forts d’une épaisseur supérieure à 100 nanomètres. Les verres ou les plaques de cuivre recouverts d’une telle « peinture » de graphène peuvent être utilisés comme récipients pour les acides corrosifs. Les films plastiques recouverts de graphène pourraient être utilisés dans les emballages médicaux pour améliorer la durée de conservation.

Matériaux connexesEdit

Les paillettes d’oxyde de graphène dispersées peuvent également être tamisées (comme dans la fabrication du papier) et pressées pour fabriquer un papier d’oxyde de graphène excessivement résistant.

L’oxyde de graphène a été utilisé dans des applications d’analyse de l’ADN. La grande surface plane de l’oxyde de graphène permet l’extinction simultanée de plusieurs sondes d’ADN marquées avec différents colorants, ce qui permet la détection de plusieurs cibles d’ADN dans la même solution. De nouvelles avancées dans les capteurs d’ADN à base d’oxyde de graphène pourraient aboutir à une analyse rapide de l’ADN très peu coûteuse. Récemment, un groupe de chercheurs de l’université de L’Aquila (Italie) a découvert de nouvelles propriétés de mouillage de l’oxyde de graphène réduit thermiquement sous ultravide jusqu’à 900 °C. Ils ont établi une corrélation entre la surface de l’oxyde de graphène et les propriétés de l’oxyde de graphène. Ils ont trouvé une corrélation entre la composition chimique de la surface, l’énergie libre de surface et ses composants polaires et dispersifs, donnant une justification aux propriétés de mouillage de l’oxyde de graphène et de l’oxyde de graphène réduit.

Electrode de batterie rechargeable flexibleEdit

L’oxyde de graphène a été démontré comme un matériau d’anode de batterie autonome flexible pour les batteries lithium-ion et sodium-ion à température ambiante. Il est également étudié comme agent conducteur à haute surface dans les cathodes de batteries lithium-soufre. Les groupes fonctionnels sur l’oxyde de graphène peuvent servir de sites pour la modification chimique et l’immobilisation d’espèces actives. Cette approche permet de créer des architectures hybrides pour les matériaux d’électrode. Des exemples récents de cette approche ont été mis en œuvre dans les batteries lithium-ion, connues pour être rechargeables au prix de faibles limites de capacité. Des recherches récentes ont montré que les composites à base d’oxyde de graphène fonctionnalisés avec des oxydes et des sulfures métalliques permettaient d’améliorer les performances des batteries. Ce phénomène a également été adapté aux applications des supercondensateurs, car les propriétés électroniques de l’oxyde de graphène lui permettent de contourner certaines des restrictions les plus courantes des électrodes d’oxyde de métal de transition typiques. La recherche dans ce domaine se développe, avec une exploration supplémentaire des méthodes impliquant le dopage à l’azote et l’ajustement du pH pour améliorer la capacité. En outre, la recherche sur les feuilles d’oxyde de graphène réduit, qui présentent des propriétés électroniques supérieures semblables à celles du graphène pur, est en cours d’exploration. Les applications d’oxyde de graphène réduit augmentent considérablement la conductivité et l’efficacité, tout en sacrifiant une certaine flexibilité et l’intégrité structurelle.

Lentille d’oxyde de graphèneEdit

La lentille optique a joué un rôle essentiel dans presque tous les domaines de la science et de la technologie depuis son invention il y a environ 3000 ans. Avec les progrès des techniques de micro- et nanofabrication, la miniaturisation continue des lentilles optiques classiques a toujours été demandée pour diverses applications telles que les communications, les capteurs, le stockage de données et un large éventail d’autres industries axées sur la technologie et les consommateurs. Plus précisément, des tailles de plus en plus petites, ainsi que des épaisseurs de micro-lentilles de plus en plus fines, sont nécessaires pour l’optique sous-longueur d’onde ou la nano-optique avec des structures extrêmement petites, en particulier pour les applications dans le visible et le proche infrarouge. En outre, comme l’échelle de distance pour les communications optiques se rétrécit, les tailles de caractéristiques requises des micro-lentilles sont rapidement poussées vers le bas.

Récemment, les excellentes propriétés de l’oxyde de graphène nouvellement découvert fournissent de nouvelles solutions pour surmonter les défis des dispositifs de focalisation planaires actuels. Plus précisément, une modification géante de l’indice de réfraction (aussi grande que 10^-1), qui est un ordre de grandeur plus grand que les matériaux actuels, entre l’oxyde de graphène (GO) et l’oxyde de graphène réduit (rGO) ont été démontrés en manipulant dynamiquement sa teneur en oxygène en utilisant la méthode d’écriture directe au laser (DLW). En conséquence, l’épaisseur globale de la lentille peut être potentiellement réduite de plus de dix fois. De plus, l’absorption optique linéaire du GO augmente à mesure que la réduction du GO s’approfondit, ce qui entraîne un contraste de transmission entre le GO et le rGO et fournit donc un mécanisme de modulation d’amplitude. De plus, l’indice de réfraction et l’absorption optique sont sans dispersion sur une large gamme de longueurs d’onde allant du visible au proche infrarouge. Enfin, le film GO offre une capacité de modelage flexible en utilisant la méthode DLW sans masque, ce qui réduit la complexité et l’exigence de fabrication.

En conséquence, une nouvelle lentille plane ultrafine sur un film mince de GO a été réalisée récemment en utilisant la méthode DLW. L’avantage distinct de la lentille plane GO est que la modulation de phase et la modulation d’amplitude peuvent être réalisées simultanément, qui sont attribuées à la modulation géante de l’indice de réfraction et à l’absorption optique linéaire variable de GO pendant son processus de réduction, respectivement. En raison de l’amélioration de la capacité de façonnage du front d’onde, l’épaisseur de la lentille est réduite à l’échelle de la sous-longueur d’onde (~200 nm), ce qui est plus fin que toutes les lentilles diélectriques actuelles (~ échelle µm). Les intensités de focalisation et la distance focale peuvent être contrôlées efficacement en faisant varier les puissances laser et les tailles des lentilles, respectivement. Grâce à l’utilisation d’un objectif à haute NA en immersion dans l’huile pendant le processus DLW, la taille de la caractéristique de fabrication de 300 nm sur le film de GO a été réalisée, et par conséquent la taille minimale de la lentille a été réduite à 4,6 µm de diamètre, ce qui constitue la plus petite micro-lentille planaire et ne peut être réalisée qu’avec une métasurface par FIB. Par la suite, la distance focale peut être réduite jusqu’à 0,8 µm, ce qui augmenterait potentiellement l’ouverture numérique (NA) et la résolution de focalisation.

La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de 320 nm à la tache focale minimale en utilisant un faisceau d’entrée de 650 nm a été démontrée expérimentalement, ce qui correspond à l’ouverture numérique (NA) effective de 1,24 (n=1,5), la plus grande NA des micro-lentilles actuelles. En outre, la capacité de focalisation ultra large bande de 500 nm à 2 µm a été réalisée avec la même lentille planaire, ce qui reste un défi majeur de la focalisation dans la gamme infrarouge en raison de la disponibilité limitée des matériaux et de la technologie de fabrication appropriés. Plus important encore, les films minces de GO de haute qualité synthétisés peuvent être intégrés de manière flexible sur divers substrats et facilement fabriqués en utilisant la méthode DLW en une seule étape sur une grande surface à un coût et une puissance comparables (~nJ/impulsion), ce qui rend finalement les lentilles plates de GO prometteuses pour diverses applications pratiques.

Conversion d’énergieModification

La division de l’eau photocatalytique est un processus de photosynthèse artificielle dans lequel l’eau est dissociée en hydrogène (H2) et en oxygène (O2), en utilisant la lumière artificielle ou naturelle. Des méthodes telles que la séparation photocatalytique de l’eau sont actuellement étudiées pour produire de l’hydrogène en tant que source d’énergie propre. La mobilité supérieure des électrons et la surface élevée des feuilles d’oxyde de graphène suggèrent qu’il peut être mis en œuvre comme un catalyseur qui répond aux exigences de ce processus. Plus précisément, les groupes fonctionnels époxyde (-O-) et hydroxyde (-OH) qui composent l’oxyde de graphène permettent un contrôle plus souple du processus de séparation de l’eau. Cette flexibilité peut être utilisée pour adapter la bande interdite et les positions de bande qui sont ciblées dans la séparation photocatalytique de l’eau. Des expériences de recherche récentes ont démontré que l’activité photocatalytique de l’oxyde de graphène contenant une bande interdite dans les limites requises a produit des résultats de fractionnement efficaces, en particulier lorsqu’il est utilisé avec une couverture de 40-50% à un rapport hydroxyde:époxyde de 2:1. Lorsqu’ils sont utilisés dans des matériaux composites avec CdS (un catalyseur typique utilisé dans la division photocatalytique de l’eau), les nanocomposites d’oxyde de graphène ont montré qu’ils présentaient une production d’hydrogène et une efficacité quantique accrues.

Stockage de l’hydrogèneModifié

L’oxyde de graphène est également exploré pour ses applications dans le stockage de l’hydrogène. Les molécules d’hydrogène peuvent être stockées parmi les groupes fonctionnels à base d’oxygène présents dans toute la feuille. Cette capacité de stockage de l’hydrogène peut être davantage manipulée en modulant la distance entre les couches entre les feuilles, ainsi qu’en modifiant la taille des pores. La recherche sur la décoration des métaux de transition sur les sorbants de carbone pour améliorer l’énergie de liaison de l’hydrogène a conduit à des expériences avec du titane et du magnésium ancrés à des groupes hydroxyle, permettant la liaison de plusieurs molécules d’hydrogène.