Grafit-oxid

Optikai nemlinearitásSzerkesztés

A nemlineáris optikai anyagok nagy jelentőséggel bírnak az ultragyors fotonika és optoelektronika számára. A közelmúltban a grafén-oxid (GO) óriási optikai nemlinearitása számos alkalmazásban hasznosnak bizonyult. Például a GO optikai korlátozása nélkülözhetetlen az érzékeny műszerek lézer okozta károsodástól való védelméhez. A telíthető abszorpció pedig impulzusösszenyomáshoz, üzemmód-lockoláshoz és Q-kapcsoláshoz használható. Emellett a nemlineáris fénytörés (Kerr-effektus) kulcsfontosságú olyan funkciókhoz, mint a teljesen optikai kapcsolás, a jelregenerálás és a gyors optikai kommunikáció.

A GO egyik legérdekesebb és legegyedibb tulajdonsága, hogy elektromos és optikai tulajdonságai dinamikusan hangolhatók az oxigéntartalmú csoportok tartalmának manipulálásával, akár kémiai, akár fizikai redukciós módszerekkel. Az optikai nemlinearitások hangolását demonstrálták a teljes lézerindukált redukciós folyamata során a lézersugárzás intenzitásának folyamatos növelésével, és négy különböző nemlineáris aktivitású fokozatot fedeztek fel, amelyek ígéretes szilárdtest anyagként szolgálhatnak újszerű nemlineáris funkcionális eszközökhöz. Az is bebizonyosodott, hogy a fém nanorészecskék nagymértékben fokozhatják a grafén-oxid optikai nemlinearitását és fluoreszcenciáját.

Grafén előállításaSzerkesztés

A grafit-oxid nagy érdeklődést keltett, mint a rendkívüli elektronikus tulajdonságokkal rendelkező grafén nagyüzemi előállításának és manipulálásának lehetséges útja. Maga a grafit-oxid szigetelő, majdnem félvezető, differenciális vezetőképessége 1 és 5×10-3 S/cm között van 10 V-os előfeszültség mellett. Mivel azonban hidrofil, a grafit-oxid könnyen diszpergálódik vízben, és makroszkopikus, többnyire egy réteg vastagságú pelyhekre bomlik. E pelyhek kémiai redukciója grafénpelyhek szuszpenzióját eredményezné. Azt állították, hogy a grafén első kísérleti megfigyeléséről Hanns-Peter Boehm számolt be 1962-ben. Ebben a korai munkában az egyrétegű redukált grafénoxid-pelyhek létezését mutatták ki. Böhm hozzájárulását a közelmúltban Andre Geim, a grafénkutatás Nobel-díjasa is elismerte.

A részleges redukciót úgy lehet elérni, hogy a felfüggesztett grafén-oxidot hidrazin-hidráttal kezelik 100 °C-on 24 órán keresztül, a grafén-oxidot néhány másodpercig hidrogénplazmának teszik ki, vagy erős fényimpulzusnak, például egy Xenon-villanásnak teszik ki. Az oxidációs protokoll miatt a grafén-oxidban már meglévő sokféle hiba akadályozza a redukció hatékonyságát. Így a redukció után kapott grafén minőségét a prekurzor (grafén-oxid) minősége és a redukálószer hatékonysága korlátozza. Az így nyert grafén vezetőképessége azonban 10 S/cm alatt van, töltésmozgékonysága pedig 0,1 és 10 cm2/Vs között van. Ezek az értékek jóval nagyobbak, mint az oxidé, de még mindig néhány nagyságrenddel alacsonyabbak, mint az érintetlen graféné. A közelmúltban optimalizálták a grafit-oxid szintetikus protokollját, és szinte ép grafén-oxidot kaptak megőrzött szénvázzal. Ennek a majdnem ép grafén-oxidnak a redukciója sokkal jobban teljesít, és a töltéshordozók mozgékonysági értékei a legjobb minőségű pelyhek esetében meghaladják az 1000 cm2/Vs értéket. Az atomerő-mikroszkóppal végzett vizsgálat azt mutatja, hogy az oxigénkötések eltorzítják a szénréteget, így az oxidrétegekben kifejezett belső érdesség keletkezik, amely a redukció után is megmarad. Ezek a hibák a grafén-oxid Raman-spektrumában is megjelennek.

A grafénlapok nagy mennyiségben termikus módszerekkel is előállíthatók. Például 2006-ban felfedeztek egy olyan módszert, amely gyors hevítéssel (>2000 °C/perc) 1050 °C-ra történő hámlasztással és redukcióval egyszerre hámlasztja és redukálja a grafit-oxidot. Ezen a hőmérsékleten az oxigén funkcionalitások eltávolításával szén-dioxid szabadul fel, amely robbanásszerűen szétválasztja a lapokat, ahogy kijön.

A grafit-oxid filmet a LightScribe DVD lézerének kitéve szintén kiderült, hogy alacsony költséggel lehet minőségi grafént előállítani.

A grafit-oxidot in situ is grafénné redukálták, egy 3D nyomtatott mintát használva mesterséges E. coli baktériumokból.

VíztisztításSzerkesztés

A grafit-oxidokat az 1960-as évektől kezdve vizsgálták a víz sótalanítására fordított ozmózis alkalmazásával. 2011-ben további kutatások jelentek meg.

2013-ban a Lockheed Martin bejelentette Perforene grafénszűrőjét. A Lockheed azt állítja, hogy a szűrő 99%-kal csökkenti a fordított ozmózisos sótalanítás energiaköltségeit. A Lockheed azt állította, hogy a szűrő 500-szor vékonyabb, mint az akkori legjobb szűrő a piacon, ezerszer erősebb, és 1%-os nyomást igényel. A termék megjelenése 2020 előtt nem várható.

Egy másik tanulmány kimutatta, hogy a grafit-oxidot úgy lehet megtervezni, hogy átengedje a vizet, de visszatartson néhány nagyobb iont. A keskeny kapillárisok lehetővé teszik az egy- vagy kétrétegű víz gyors áteresztését. A többrétegű laminátumok a gyöngyházhoz hasonló szerkezetűek, ami vízmentes körülmények között mechanikai szilárdságot biztosít. A hélium nem tud áthatolni a membránokon nedvességmentes körülmények között, de könnyen áthatol, ha nedvességnek van kitéve, míg a vízgőz ellenállás nélkül áthatol. A száraz laminátumok vákuumzáróak, de vízbe merítve molekulaszűrőként viselkednek, blokkolva egyes oldott anyagokat.

Egy harmadik projektben szubnanoméretű (0,40 ± 0,24 nm) pórusokkal rendelkező grafénlapokat állítottak elő. A grafént galliumionokkal bombázták, amelyek megbontják a szénkötéseket. Az eredmény oxidáló oldattal történő maratásával a galliumion által eltalált minden egyes ponton egy lyuk keletkezik. Az oxidáló oldatban töltött idő hossza meghatározta az átlagos pórusméretet. A pórussűrűség elérte az 5 trillió pórust négyzetcentiméterenként, miközben a szerkezeti integritás megmaradt. A pórusok rövid oxidációs idő alatt is lehetővé tették a kationszállítást, ami összhangban van a pórusszéleken lévő negatív töltésű funkcionális csoportok elektrosztatikus taszításával. Hosszabb oxidációs időnél a lapok áteresztőek voltak a só számára, de a nagyobb szerves molekulák számára nem.

2015-ben egy csapat olyan grafén-oxid teát hozott létre, amely egy nap alatt eltávolította a nehézfémek 95%-át egy vizes oldatban

Egy projekt során a szénatomokat méhsejtes szerkezetbe rétegezték, hatszög alakú kristályt alkotva, amely körülbelül 0,1 milliméter széles és hosszú volt, szubnanométeres lyukakkal. Későbbi munkák a membrán méretét több milliméteres nagyságrendűre növelték.

A polikarbonát tartószerkezethez rögzített grafén kezdetben hatékonyan távolította el a sót. Azonban hibák keletkeztek a grafénben. A nagyobb hibák nejlonnal, a kisebb hibák hafnium fémmel, majd egy oxidréteggel való kitöltése helyreállította a szűrőhatást.

2016-ban a mérnökök olyan grafénalapú filmeket fejlesztettek ki, amelyek a nap által táplált piszkos/sós vizet képesek kiszűrni. Baktériumokat használtak fel a két nanocellulóz rétegből álló anyag előállításához. Az alsó réteg érintetlen cellulózt tartalmaz, míg a felső réteg cellulózt és grafén-oxidot, amely elnyeli a napfényt és hőt termel. A rendszer alulról vizet szív az anyagba. A víz a magasabb rétegbe diffundál, ahol elpárolog, és hátrahagyja a szennyeződéseket. A párolgás a tetején lecsapódik, ahol felfogható. A filmet egy folyékony bevonat ismételt hozzáadásával hozzák létre, amely megszilárdul. A baktériumok nanocellulóz szálakat állítanak elő, amelyek között grafén-oxid pelyhek vannak elszórtan. A film könnyű és méretarányosan könnyen előállítható.

BevonatSzerkesztés

A grafén-oxidból készült, optikailag átlátszó, többrétegű filmek száraz körülmények között átjárhatatlanok. Víznek (vagy vízgőznek) kitéve egy bizonyos méret alatt átengedik a molekulákat. A filmek milliónyi véletlenszerűen egymásra helyezett pehelyből állnak, amelyek között nanoméretű kapillárisok maradnak. Ha ezeket a nanokapillárisokat hidrojódsavval történő kémiai redukcióval lezárjuk, akkor olyan “redukált grafén-oxid” (r-GO) filmek jönnek létre, amelyek 100 nanométernél vastagabb gázok, folyadékok vagy erős vegyszerek számára teljesen áthatolhatatlanok. Az ilyen grafén “festékkel” bevont üvegedények vagy rézlemezek maró savak tartályaként használhatók. A grafénnel bevont műanyag fóliákat orvosi csomagolásokban lehetne használni az eltarthatóság javítására.

Kapcsolódó anyagokSzerkesztés

A diszperziós grafén-oxid pelyheket is ki lehet szitálni a diszperzióból (mint a papírgyártásban) és préselni, hogy rendkívül erős grafén-oxid papír készüljön.

A grafén-oxidot már használták DNS-elemző alkalmazásokban. A grafén-oxid nagy síkfelülete lehetővé teszi több, különböző színezékkel jelölt DNS-szonda egyidejű kioltását, ami több DNS-célpont kimutatását teszi lehetővé ugyanabban az oldatban. A grafén-oxid alapú DNS-érzékelők további fejlődése nagyon olcsó, gyors DNS-elemzést eredményezhet. Nemrégiben a L’Aquilai Egyetem (Olaszország) kutatócsoportja új nedvesedési tulajdonságokat fedezett fel az ultramagas vákuumban, 900 °C-ig termikusan redukált grafén-oxidban. Összefüggést találtak a felület kémiai összetétele, a felületi szabad energia és annak poláris és diszperzív összetevői között, ami megalapozza a grafén-oxid és a redukált grafén-oxid nedvesedési tulajdonságait.

Rugalmas újratölthető akkumulátor elektródAz

grafén-oxidot rugalmas, szabadon álló akkumulátor anódanyagként mutatták be szobahőmérsékletű lítium-ion és nátrium-ion akkumulátorokhoz. Nagy felületű vezető anyagként is vizsgálják lítium-kén akkumulátorok katódjaiban. A grafén-oxid funkciós csoportjai kémiai módosítás és aktív fajok immobilizálásának helyszíneiként szolgálhatnak. Ez a megközelítés lehetővé teszi hibrid architektúrák létrehozását az elektródanyagok számára. Ennek legújabb példáit lítiumion-akkumulátorokban valósították meg, amelyek arról ismertek, hogy alacsony kapacitáskorlátok árán újratölthetők. A legújabb kutatások szerint a fémoxidokkal és szulfidokkal funkcionalizált grafén-oxid alapú kompozitok javított akkumulátorteljesítményt eredményeznek. Ezt hasonlóképpen adaptálták a szuperkondenzátorokban való alkalmazásokra, mivel a grafén-oxid elektronikus tulajdonságai lehetővé teszik, hogy megkerülje a tipikus átmeneti fém-oxid elektródák néhány elterjedtebb korlátozását. A kutatások ezen a területen fejlődnek, és további kutatásokat folytatnak a nitrogénadagolással és pH-beállítással járó módszerek terén a kapacitás javítása érdekében. Emellett jelenleg a tiszta grafénhez hasonló, kiváló elektronikus tulajdonságokkal rendelkező redukált grafén-oxid lapok kutatása is folyamatban van. A redukált grafén-oxid alkalmazások jelentősen növelik a vezetőképességet és a hatékonyságot, miközben feláldoznak némi rugalmasságot és szerkezeti integritást.

Grafén-oxid lencseSzerkesztés

Az optikai lencse mintegy 3000 évvel ezelőtti feltalálása óta a tudomány és a technológia szinte minden területén meghatározó szerepet játszik. A mikro- és nanofabrikációs technikák fejlődésével a hagyományos optikai lencsék folyamatos miniatürizálását mindig is igényelték a különböző alkalmazások, például a kommunikáció, az érzékelők, az adattárolás és számos más technológia- és fogyasztóközpontú iparág számára. Különösen az egyre kisebb méretekre, valamint a mikrolencsék vékonyabb vastagságára van nagy szükség a hullámhossz alatti optikák vagy a rendkívül kis szerkezetű nanooptikák számára, különösen a látható és a közeli infravörös tartományban történő alkalmazásokhoz. Továbbá, ahogy az optikai kommunikáció távolsági skálája zsugorodik, a mikrolencsék szükséges jellemzőméretei gyorsan lefelé tolódnak.

A közelmúltban az újonnan felfedezett grafén-oxid kiváló tulajdonságai új megoldásokat kínálnak a jelenlegi planáris fókuszáló eszközök kihívásainak leküzdésére. Konkrétan a grafén-oxid (GO) és a redukált grafén-oxid (rGO) közötti óriási törésmutató-módosítást (akár 10^-1), amely egy nagyságrenddel nagyobb, mint a jelenlegi anyagoké, mutattak ki az oxigéntartalmának dinamikus manipulálásával, közvetlen lézeres írás (DLW) módszerével. Ennek eredményeként a lencse teljes vastagsága potenciálisan több mint tízszeresére csökkenthető. Továbbá a GO lineáris optikai abszorpciója a GO redukciójának mélyülésével növekszik, ami átviteli kontrasztot eredményez a GO és az rGO között, és ezért amplitúdómodulációs mechanizmust biztosít. Továbbá mind a törésmutató, mind az optikai abszorpció diszperziómentesnek bizonyult a láthatótól a közeli infravörösig terjedő széles hullámhossz-tartományban. Végül a GO-film rugalmas mintázási képességet kínál a maszk nélküli DLW-módszer alkalmazásával, ami csökkenti a gyártás bonyolultságát és követelményeit.

Ennek eredményeképpen a közelmúltban egy újszerű ultravékony síkbeli lencsét valósítottak meg egy GO vékonyrétegen a DLW-módszer alkalmazásával. A GO sík lencse határozott előnye, hogy a fázismoduláció és az amplitúdómoduláció egyszerre érhető el, amelyek a GO óriási törésmutató-modulációjának, illetve a GO változó lineáris optikai abszorpciójának tulajdoníthatók a redukciós folyamat során. A fokozott hullámfront-alakítási képességnek köszönhetően a lencse vastagsága a hullámhossz alatti skálára (~200 nm) csökken, ami vékonyabb, mint az összes jelenlegi dielektromos lencse (~ µm-es skála). A fókuszálási intenzitások és a fókusztávolság hatékonyan szabályozhatók a lézerteljesítmények, illetve a lencseméretek változtatásával. A DLW-folyamat során olajba merülő nagy NA objektív használatával 300 nm-es gyártási jellemzőméretet valósítottak meg a GO-fólián, és ezért a minimális lencse mérete 4,6 µm átmérőjűre zsugorodott, ami a legkisebb síkbeli mikrolencse, és csak metafelülettel lehet megvalósítani FIB-vel. Ezt követően a fókusztávolság akár 0,8 µm-re is csökkenthető, ami potenciálisan növelheti a numerikus apertúrát (NA) és a fókuszálási felbontást.

Kísérletileg demonstrálták, hogy 650 nm-es bemeneti sugárral a minimális fókuszponton a teljes szélesség a félmaximumon (FWHM) 320 nm, ami 1,24-es effektív numerikus apertúrának (NA) felel meg (n=1,5), ami a jelenlegi mikrolencsék legnagyobb NA-ja. Továbbá ugyanezzel a síkbeli lencsével megvalósították az ultraszélessávú fókuszálási képességet 500 nm-től egészen 2 µm-ig, ami a megfelelő anyagok és a gyártástechnológia korlátozott elérhetősége miatt még mindig nagy kihívást jelent az infravörös tartományban történő fókuszálásban. A legfontosabb, hogy a szintetizált kiváló minőségű GO vékonyrétegek rugalmasan integrálhatók különböző szubsztrátokra és könnyen előállíthatók az egylépéses DLW módszerrel nagy területen, hasonlóan alacsony költséggel és energiával (~nJ/impulzus), ami végül ígéretessé teszi a GO lapos lencséket különböző gyakorlati alkalmazásokhoz.

EnergiaátalakításSzerkesztés

A fotokatalitikus vízbontás egy mesterséges fotoszintézis folyamat, amelyben a vizet hidrogénre (H2) és oxigénre (O2) bontják, mesterséges vagy természetes fény felhasználásával. Jelenleg olyan módszereket vizsgálnak, mint a fotokatalitikus vízbontás, hogy hidrogént, mint tiszta energiaforrást állítsanak elő. A grafén-oxid lapok kiváló elektronmozgékonysága és nagy felülete azt sugallja, hogy olyan katalizátorként lehet alkalmazni, amely megfelel ennek a folyamatnak a követelményeinek. A grafén-oxid összetételének epoxid (-O-) és hidroxid (-OH) funkciós csoportjai rugalmasabb szabályozást tesznek lehetővé a vízbontási folyamatban. Ez a rugalmasság felhasználható a fotokatalitikus vízbontás során megcélzott sávhézag és sávpozíció testre szabására. A közelmúltban végzett kutatási kísérletek azt mutatták, hogy a szükséges határértékeken belüli sávhézagot tartalmazó grafén-oxid fotokatalitikus aktivitása hatékony hasadási eredményeket produkált, különösen 40-50%-os fedettséggel, 2:1 hidroxid:epoxid arány mellett alkalmazva. A grafén-oxid nanokompozitok CdS-szel (a fotokatalitikus vízhasításban használt tipikus katalizátor) kompozit anyagokban való alkalmazásakor a hidrogéntermelés és a kvantumhatékonyság növekedését mutatták ki.

HidrogéntárolásSzerkesztés

A grafén-oxid hidrogéntárolásban való alkalmazását is vizsgálják. A hidrogénmolekulák a lapban található oxigénalapú funkciós csoportok között tárolhatók. Ez a hidrogéntárolási képesség tovább manipulálható a lapok közötti rétegközi távolság módosításával, valamint a pórusméretek megváltoztatásával. A hidrogénkötési energia fokozása érdekében a szénszorbenseken lévő átmeneti fémek díszítésével kapcsolatos kutatások a hidroxilcsoportokhoz lehorgonyzott titánnal és magnéziummal végzett kísérletekhez vezettek, lehetővé téve több hidrogénmolekula megkötését.