Ossido di grafite

Nonlinearità otticaModifica

I materiali ottici non lineari sono di grande importanza per la fotonica e l’optoelettronica ultraveloci. Recentemente, la non linearità ottica gigante dell’ossido di grafene (GO) si è dimostrata utile per una serie di applicazioni. Per esempio, la limitazione ottica del GO è indispensabile per proteggere gli strumenti sensibili dai danni indotti dal laser. E l’assorbimento saturabile può essere usato per la compressione degli impulsi, il mode-locking e il Q-switching. Inoltre, la rifrazione non lineare (effetto Kerr) è cruciale per funzionalità che includono la commutazione all-optical, la rigenerazione del segnale e le comunicazioni ottiche veloci.

Una delle proprietà più intriganti e uniche del GO è che le sue proprietà elettriche e ottiche possono essere regolate dinamicamente manipolando il contenuto dei gruppi contenenti ossigeno attraverso metodi di riduzione chimica o fisica. La sintonizzazione delle non linearità ottiche è stata dimostrata durante l’intero processo di riduzione indotta dal laser attraverso l’aumento continuo dell’irradiazione laser e sono state scoperte quattro fasi di diverse attività non lineari, che possono servire come promettenti materiali allo stato solido per nuovi dispositivi funzionali non lineari. È stato anche dimostrato che le nanoparticelle metalliche possono migliorare notevolmente la non linearità ottica e la fluorescenza dell’ossido di grafene.

Produzione di grafeneModifica

L’ossido di grafite ha attirato molto interesse come possibile via per la produzione su larga scala e la manipolazione del grafene, un materiale con straordinarie proprietà elettroniche. L’ossido di grafite è di per sé un isolante, quasi un semiconduttore, con una conducibilità differenziale tra 1 e 5×10-3 S/cm ad una tensione di polarizzazione di 10 V. Tuttavia, essendo idrofilo, l’ossido di grafite si disperde facilmente in acqua, rompendosi in fiocchi macroscopici, per lo più di uno strato. La riduzione chimica di questi fiocchi produrrebbe una sospensione di fiocchi di grafene. Si è sostenuto che la prima osservazione sperimentale del grafene è stata riportata da Hanns-Peter Boehm nel 1962. In questo primo lavoro fu dimostrata l’esistenza di fiocchi monostrato di ossido di grafene ridotto. Il contributo di Boehm è stato recentemente riconosciuto da Andre Geim, il premio Nobel per la ricerca sul grafene.

La riduzione parziale può essere ottenuta trattando l’ossido di grafene sospeso con idrazina idrato a 100 °C per 24 ore, esponendo l’ossido di grafene al plasma di idrogeno per alcuni secondi, o con l’esposizione ad un forte impulso di luce, come quello di un flash di Xenon. A causa del protocollo di ossidazione, i molteplici difetti già presenti nell’ossido di grafene ostacolano l’efficacia della riduzione. Così, la qualità del grafene ottenuto dopo la riduzione è limitata dalla qualità del precursore (ossido di grafene) e dall’efficienza dell’agente riducente. Tuttavia, la conducibilità del grafene ottenuto per questa via è inferiore a 10 S/cm, e la mobilità di carica è compresa tra 0,1 e 10 cm2/Vs. Questi valori sono molto superiori a quelli dell’ossido, ma ancora di alcuni ordini di grandezza inferiori a quelli del grafene incontaminato. Recentemente, il protocollo sintetico per l’ossido di grafite è stato ottimizzato ed è stato ottenuto un ossido di grafene quasi intatto con una struttura di carbonio conservata. La riduzione di questo ossido di grafene quasi intatto funziona molto meglio e i valori di mobilità dei portatori di carica superano i 1000 cm2/Vs per la migliore qualità dei fiocchi. L’ispezione con il microscopio a forza atomica mostra che i legami di ossigeno distorcono lo strato di carbonio, creando una pronunciata rugosità intrinseca negli strati di ossido che persiste dopo la riduzione. Questi difetti si mostrano anche negli spettri Raman dell’ossido di grafene.

Grandi quantità di fogli di grafene possono anche essere prodotti attraverso metodi termici. Per esempio, nel 2006 è stato scoperto un metodo che esfolia e riduce simultaneamente l’ossido di grafite con un riscaldamento rapido (>2000 °C/min) a 1050 °C. A questa temperatura, l’anidride carbonica viene rilasciata mentre le funzionalità dell’ossigeno vengono rimosse e separa esplosivamente i fogli mentre esce.

Esporre una pellicola di ossido di grafite al laser di un DVD LightScribe ha anche rivelato di produrre grafene di qualità a basso costo.

L’ossido di grafene è stato anche ridotto a grafene in situ, utilizzando un modello stampato in 3D di batteri E. coli ingegnerizzati.

Purificazione dell’acquaModifica

Gli ossidi di grafite sono stati studiati per la desalinizzazione dell’acqua utilizzando l’osmosi inversa a partire dagli anni ’60. Nel 2011 sono state pubblicate ulteriori ricerche.

Nel 2013 Lockheed Martin ha annunciato il suo filtro di grafene Perforene. Lockheed sostiene che il filtro riduce i costi energetici della desalinizzazione per osmosi inversa del 99%. Lockheed ha affermato che il filtro era 500 volte più sottile del miglior filtro allora sul mercato, mille volte più forte e richiede l’1% della pressione. L’uscita del prodotto non era prevista prima del 2020.

Un altro studio ha mostrato che l’ossido di grafite potrebbe essere ingegnerizzato per permettere all’acqua di passare, ma trattenere alcuni ioni più grandi. I capillari stretti permettono una rapida permeazione dell’acqua mono- o bilayer. I laminati multistrato hanno una struttura simile alla madreperla, che fornisce resistenza meccanica in condizioni di assenza di acqua. L’elio non può passare attraverso le membrane in condizioni di assenza di umidità, ma penetra facilmente quando è esposto all’umidità, mentre il vapore acqueo passa senza resistenza. I laminati asciutti sono a tenuta di vuoto, ma immersi in acqua, agiscono come setacci molecolari, bloccando alcuni soluti.

Un terzo progetto ha prodotto fogli di grafene con pori subnanoscala (0,40 ± 0,24 nm). Il grafene è stato bombardato con ioni di gallio, che interrompono i legami di carbonio. L’incisione del risultato con una soluzione ossidante produce un foro in ogni punto colpito da uno ione gallio. La durata del tempo trascorso nella soluzione ossidante ha determinato la dimensione media dei pori. La densità dei pori ha raggiunto 5 trilioni di pori per centimetro quadrato, pur mantenendo l’integrità strutturale. I pori hanno permesso il trasporto di cationi a brevi tempi di ossidazione, coerentemente con la repulsione elettrostatica dei gruppi funzionali caricati negativamente ai bordi dei pori. A tempi di ossidazione più lunghi, i fogli erano permeabili al sale ma non alle molecole organiche più grandi.

Nel 2015 un team ha creato un tè di ossido di grafene che nel corso di un giorno ha rimosso il 95% dei metalli pesanti in una soluzione di acqua

Un progetto ha stratificato atomi di carbonio in una struttura a nido d’ape, formando un cristallo a forma di esagono che misurava circa 0,1 millimetri di larghezza e lunghezza, con fori subnanometro. Il lavoro successivo ha aumentato le dimensioni della membrana fino all’ordine di diversi millimetri.

Il grafene attaccato a una struttura di supporto in policarbonato è stato inizialmente efficace nel rimuovere il sale. Tuttavia, si sono formati dei difetti nel grafene. Riempiendo i difetti più grandi con nylon e quelli piccoli con metallo hafnium seguito da uno strato di ossido, si è ripristinato l’effetto di filtraggio.

Nel 2016 gli ingegneri hanno sviluppato film a base di grafene che possono filtrare l’acqua sporca/salata alimentati dal sole. I batteri sono stati utilizzati per produrre un materiale composto da due strati di nanocellulosa. Lo strato inferiore contiene cellulosa incontaminata, mentre lo strato superiore contiene cellulosa e ossido di grafene, che assorbe la luce solare e produce calore. Il sistema attira l’acqua dal basso nel materiale. L’acqua si diffonde nello strato superiore, dove evapora e lascia dietro di sé eventuali contaminanti. L’evaporato si condensa in cima, dove può essere catturato. La pellicola viene prodotta aggiungendo ripetutamente un rivestimento fluido che si indurisce. I batteri producono fibre di nanocellulosa con fiocchi di ossido di grafene intercalati. Il film è leggero e facilmente fabbricato in scala.

CoatingEdit

I film multistrato otticamente trasparenti fatti di ossido di grafene sono impermeabili in condizioni asciutte. Esposti all’acqua (o al vapore acqueo), permettono il passaggio di molecole al di sotto di una certa dimensione. I film sono costituiti da milioni di fiocchi impilati in modo casuale, lasciando tra loro dei capillari di dimensioni nano. La chiusura di questi nanocapillari mediante riduzione chimica con acido idroiodico crea dei film di “ossido di grafene ridotto” (r-GO) che sono completamente impermeabili ai gas, ai liquidi o alle sostanze chimiche forti di spessore superiore a 100 nanometri. Vetreria o piastre di rame coperte da una tale “vernice” di grafene possono essere usate come contenitori per acidi corrosivi. I film di plastica rivestiti di grafene potrebbero essere usati negli imballaggi medici per migliorare la durata di conservazione.

Materiali correlatiModifica

I fiocchi di ossido di grafene dispersi possono anche essere setacciati dalla dispersione (come nella fabbricazione della carta) e pressati per fare una carta di ossido di grafene estremamente forte.

L’ossido di grafene è stato usato in applicazioni di analisi del DNA. L’ampia superficie planare dell’ossido di grafene permette il quenching simultaneo di più sonde di DNA marcate con diversi coloranti, fornendo il rilevamento di più obiettivi di DNA nella stessa soluzione. Ulteriori progressi nei sensori di DNA basati sull’ossido di grafene potrebbero portare a un’analisi rapida del DNA molto economica. Recentemente un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Aquila (Italia) ha scoperto nuove proprietà bagnanti dell’ossido di grafene ridotto termicamente in ultra alto vuoto fino a 900 °C. Hanno trovato una correlazione tra la composizione chimica della superficie, l’energia libera superficiale e le sue componenti polari e dispersive, dando una spiegazione alle proprietà bagnanti dell’ossido di grafene e dell’ossido di grafene ridotto.

Elettrodo flessibile per batterie ricaricabiliModifica

L’ossido di grafene è stato dimostrato come materiale anodico flessibile per batterie agli ioni di litio e sodio a temperatura ambiente. È stato anche studiato come agente conduttore ad alta superficie nei catodi delle batterie al litio-zolfo. I gruppi funzionali sull’ossido di grafene possono servire come siti per la modifica chimica e l’immobilizzazione di specie attive. Questo approccio permette la creazione di architetture ibride per materiali elettrodici. Esempi recenti di questo sono stati implementati nelle batterie agli ioni di litio, che sono note per essere ricaricabili al costo di bassi limiti di capacità. Compositi a base di ossido di grafene funzionalizzati con ossidi e solfuri di metallo hanno dimostrato in ricerche recenti di indurre un miglioramento delle prestazioni delle batterie. Questo è stato allo stesso modo adattato in applicazioni nei supercondensatori, poiché le proprietà elettroniche dell’ossido di grafene gli permettono di bypassare alcune delle restrizioni più prevalenti dei tipici elettrodi di ossido di metallo di transizione. La ricerca in questo campo si sta sviluppando, con ulteriori esplorazioni di metodi che coinvolgono il drogaggio di azoto e la regolazione del pH per migliorare la capacità. Inoltre, la ricerca sui fogli di ossido di grafene ridotto, che mostrano proprietà elettroniche superiori simili al grafene puro, è attualmente in fase di esplorazione. Applicazioni di ossido di grafene ridotto aumenta notevolmente la conduttività e l’efficienza, pur sacrificando una certa flessibilità e integrità strutturale.

Lente di ossido di grafeneModifica

La lente ottica ha giocato un ruolo critico in quasi tutti i settori della scienza e della tecnologia dalla sua invenzione circa 3000 anni fa. Con i progressi nelle tecniche di micro e nanofabbricazione, la continua miniaturizzazione delle lenti ottiche convenzionali è sempre stata richiesta per varie applicazioni come le comunicazioni, i sensori, la memorizzazione dei dati e una vasta gamma di altre industrie guidate dalla tecnologia e dai consumatori. In particolare, dimensioni sempre più piccole, così come spessori più sottili di micro lenti, sono altamente necessari per l’ottica a lunghezza d’onda inferiore o la nano-ottica con strutture estremamente piccole, in particolare per applicazioni visibili e near-IR. Inoltre, man mano che la scala delle distanze per le comunicazioni ottiche si restringe, le dimensioni richieste delle micro lenti vengono rapidamente spinte verso il basso.

Di recente, le eccellenti proprietà dell’ossido di grafene appena scoperto forniscono nuove soluzioni per superare le sfide degli attuali dispositivi di messa a fuoco planari. In particolare, è stata dimostrata una gigantesca modifica dell’indice di rifrazione (grande come 10^-1), che è un ordine di grandezza più grande dei materiali attuali, tra l’ossido di grafene (GO) e l’ossido di grafene ridotto (rGO) manipolando dinamicamente il suo contenuto di ossigeno con il metodo della scrittura laser diretta (DLW). Come risultato, lo spessore complessivo della lente può essere potenzialmente ridotto di più di dieci volte. Inoltre, l’assorbimento ottico lineare di GO è trovato per aumentare come la riduzione di GO si approfondisce, che si traduce in contrasto di trasmissione tra GO e rGO e quindi fornisce meccanismo di modulazione di ampiezza. Inoltre, sia l’indice di rifrazione che l’assorbimento ottico sono risultati senza dispersione su un’ampia gamma di lunghezze d’onda dal visibile al vicino infrarosso. Infine, la pellicola di GO offre una capacità di patterning flessibile utilizzando il metodo DLW senza maschera, che riduce la complessità di produzione e il requisito.

Come risultato, una nuova lente planare ultrasottile su una pellicola sottile di GO è stata realizzata recentemente utilizzando il metodo DLW. Il vantaggio distinto della lente piatta di GO è che la modulazione di fase e la modulazione di ampiezza possono essere raggiunte simultaneamente, che sono attribuite alla modulazione dell’indice di rifrazione gigante e all’assorbimento ottico lineare variabile di GO durante il suo processo di riduzione, rispettivamente. A causa della migliorata capacità di modellazione del fronte d’onda, lo spessore della lente è spinto fino alla scala della lunghezza d’onda (~ 200 nm), che è più sottile di tutte le attuali lenti dielettriche (~ scala µm). Le intensità di messa a fuoco e la lunghezza focale possono essere controllate efficacemente variando le potenze laser e le dimensioni delle lenti, rispettivamente. Usando l’obiettivo ad alta NA ad immersione in olio durante il processo DLW, è stata realizzata la dimensione della caratteristica di fabbricazione di 300 nm sul film di GO, e quindi la dimensione minima della lente è stata ridotta a 4,6 µm di diametro, che è la più piccola micro lente planare e può essere realizzata solo con metasuperficie tramite FIB. In seguito, la lunghezza focale può essere ridotta fino a 0,8 µm, che potenzialmente aumenterebbe l’apertura numerica (NA) e la risoluzione di messa a fuoco.

Sperimentalmente è stata dimostrata la piena larghezza a metà del massimo (FWHM) di 320 nm al punto focale minimo usando un fascio di ingresso di 650 nm, che corrisponde all’apertura numerica effettiva (NA) di 1,24 (n=1,5), la più grande NA delle micro lenti attuali. Inoltre, la capacità di messa a fuoco a banda ultra larga da 500 nm fino a 2 µm è stata realizzata con la stessa lente planare, che è ancora una grande sfida di messa a fuoco nella gamma infrarossa a causa della disponibilità limitata di materiali adatti e della tecnologia di fabbricazione. La cosa più importante è che i film sottili di GO sintetizzati di alta qualità possono essere integrati in modo flessibile su vari substrati e facilmente prodotti usando il metodo DLW one-step su una vasta area ad un basso costo e potenza comparabili (~nJ/impulso), che alla fine rende le lenti piatte di GO promettenti per varie applicazioni pratiche.

Conversione dell’energiaModifica

La scissione dell’acqua fotocatalitica è un processo di fotosintesi artificiale in cui l’acqua viene dissociata in idrogeno (H2) e ossigeno (O2), usando luce artificiale o naturale. Metodi come la scissione fotocatalitica dell’acqua sono attualmente oggetto di studio per produrre idrogeno come fonte di energia pulita. La mobilità superiore degli elettroni e l’alta area superficiale dei fogli di ossido di grafene suggeriscono che potrebbe essere implementato come catalizzatore che soddisfa i requisiti per questo processo. In particolare, i gruppi funzionali di composizione dell’ossido di grafene di epossido (-O-) e idrossido (-OH) permettono un controllo più flessibile nel processo di scissione dell’acqua. Questa flessibilità può essere usata per adattare il band gap e le posizioni della banda che sono mirate nella scissione fotocatalitica dell’acqua. Recenti esperimenti di ricerca hanno dimostrato che l’attività fotocatalitica dell’ossido di grafene contenente un band gap entro i limiti richiesti ha prodotto risultati di scissione efficaci, in particolare quando viene utilizzato con una copertura del 40-50% con un rapporto idrossido:epossido 2:1. Quando usato in materiali compositi con CdS (un tipico catalizzatore usato nella scissione fotocatalitica dell’acqua), i nanocompositi di ossido di grafene hanno dimostrato di esibire una maggiore produzione di idrogeno ed efficienza quantica.

Accumulo di idrogenoModifica

L’ossido di grafene viene anche esplorato per le sue applicazioni nello stoccaggio dell’idrogeno. Le molecole di idrogeno possono essere immagazzinate tra i gruppi funzionali a base di ossigeno che si trovano in tutto il foglio. Questa capacità di immagazzinare idrogeno può essere ulteriormente manipolata modulando la distanza interstrato tra i fogli, così come apportando modifiche alle dimensioni dei pori. La ricerca sulla decorazione di metalli di transizione sui sorbenti di carbonio per migliorare l’energia di legame dell’idrogeno ha portato a esperimenti con titanio e magnesio ancorati a gruppi idrossilici, permettendo il legame di più molecole di idrogeno.