Tlenek grafitu

Nieliniowość optycznaEdit

Nieliniowe materiały optyczne mają ogromne znaczenie dla ultraszybkiej fotoniki i optoelektroniki. Ostatnio, gigantyczne nieliniowości optycznej tlenku grafenu (GO) okazały się przydatne dla wielu zastosowań. Na przykład, optyczne ograniczanie GO jest niezbędne do ochrony wrażliwych instrumentów przed uszkodzeniami wywołanymi laserem. I nasycone absorpcja może być stosowany do kompresji impulsów, mode-locking i Q-switching. Ponadto, nieliniowe załamanie światła (efekt Kerra) jest kluczowe dla funkcjonalności, w tym all-optyczne przełączanie, regeneracji sygnału i szybkiej komunikacji optycznej.

Jedną z najbardziej intrygujących i unikalnych właściwości GO jest to, że jego właściwości elektryczne i optyczne mogą być dostrajane dynamicznie przez manipulowanie zawartość grup zawierających tlen poprzez chemiczne lub fizyczne metody redukcji. Dostrajanie nieliniowości optycznej zostały zademonstrowane podczas całego procesu redukcji indukowanej laserem poprzez ciągły wzrost natężenia promieniowania lasera i cztery etapy różnych działań nieliniowych zostały odkryte, które mogą służyć jako obiecujące materiały półprzewodnikowe dla nowych nieliniowych urządzeń funkcjonalnych. Udowodniono również, że nanocząstki metali mogą znacznie zwiększyć nieliniowość optyczną i fluorescencję tlenku grafenu.

Wytwarzanie grafenuEdit

Tlenek grafitu wzbudził duże zainteresowanie jako możliwa droga do produkcji na dużą skalę i manipulacji grafenem, materiałem o niezwykłych właściwościach elektronicznych. Sam tlenek grafitu jest izolatorem, prawie półprzewodnikiem, z przewodnictwem różnicowym pomiędzy 1 a 5×10-3 S/cm przy napięciu biasu 10 V. Jednakże, będąc hydrofilowym, tlenek grafitu łatwo rozprasza się w wodzie, rozpadając się na makroskopijne płatki, przeważnie o grubości jednej warstwy. Chemiczna redukcja tych płatków dałaby zawiesinę płatków grafenowych. Uważa się, że pierwsza eksperymentalna obserwacja grafenu została przedstawiona przez Hanns-Peter Boehm w 1962 roku. W tej wczesnej pracy wykazano istnienie monowarstwowych zredukowanych płatków tlenku grafenu. Wkład Boehma został niedawno uznany przez Andre Geima, laureata Nagrody Nobla w dziedzinie badań nad grafenem.

Częściową redukcję można osiągnąć poprzez traktowanie zawieszonego tlenku grafenu wodzianem hydrazyny w temperaturze 100 °C przez 24 godziny, poprzez wystawienie tlenku grafenu na działanie plazmy wodorowej przez kilka sekund lub poprzez wystawienie na działanie silnego impulsu światła, takiego jak w przypadku ksenonowej lampy błyskowej. Ze względu na protokół utleniania, różnorodne defekty obecne już w tlenku grafenu utrudniają skuteczność redukcji. Jakość grafenu otrzymanego po redukcji jest więc ograniczona jakością prekursora (tlenku grafenu) oraz wydajnością środka redukującego. Jednakże przewodność grafenu otrzymanego tą drogą jest poniżej 10 S/cm, a ruchliwość ładunków mieści się w przedziale od 0,1 do 10 cm2/Vs. Wartości te są znacznie większe niż w przypadku tlenku, ale wciąż o kilka rzędów wielkości mniejsze niż w przypadku nieskazitelnego grafenu. Ostatnio zoptymalizowano protokół syntetyczny dla tlenku grafenu i otrzymano prawie nienaruszony tlenek grafenu z zachowanym szkieletem węglowym. Redukcja tego prawie nienaruszonego tlenku grafenu przebiega znacznie lepiej, a wartości ruchliwości nośników ładunku przekraczają 1000 cm2/Vs dla najlepszej jakości płatków. Inspekcja za pomocą mikroskopu sił atomowych pokazuje, że wiązania tlenowe zniekształcają warstwę węglową, tworząc wyraźną wewnętrzną chropowatość w warstwach tlenku, która utrzymuje się po redukcji. Defekty te pojawiają się również w widmach Ramana tlenku grafenu.

Duże ilości arkuszy grafenu mogą być również produkowane za pomocą metod termicznych. Na przykład, w 2006 roku odkryto metodę, która jednocześnie złuszcza i redukuje tlenek grafitu poprzez szybkie ogrzewanie (>2000 °C/min) do temperatury 1050 °C. W tej temperaturze, dwutlenek węgla jest uwalniany w miarę usuwania funkcji tlenu i eksplozywnie oddziela arkusze, gdy się wydostaje.

Naświetlanie warstwy tlenku grafitu laserem DVD LightScribe również ujawniło produkcję grafenu wysokiej jakości przy niskich kosztach.

Tlenek grafenu został również zredukowany do grafenu in situ, przy użyciu wydrukowanego w 3D wzoru zaprojektowanych bakterii E. coli.

Oczyszczanie wodyEdit

Tlenki grafitu były badane pod kątem odsalania wody przy użyciu odwróconej osmozy począwszy od lat 60-tych. W 2011 roku ukazały się dodatkowe badania.

W 2013 roku Lockheed Martin ogłosił swój filtr grafenowy Perforene. Lockheed twierdzi, że filtr zmniejsza koszty energii odsalania odwróconej osmozy o 99%. Lockheed twierdził, że filtr jest 500 razy cieńszy niż najlepszy filtr wtedy na rynku, tysiąc razy mocniejszy i wymaga 1% ciśnienia. Oczekiwano, że produkt nie zostanie wydany do 2020 roku.

Inne badanie wykazało, że tlenek grafitu może być zaprojektowany tak, aby umożliwić wodzie przejście, ale zachować niektóre większe jony. Wąskie kapilary pozwalają na szybkie przenikanie przez mono- lub dwuwarstwową wodę. Wielowarstwowe laminaty mają strukturę podobną do gąbki, która zapewnia wytrzymałość mechaniczną w warunkach wolnych od wody. Hel nie może przenikać przez membrany w warunkach wolnych od wilgoci, ale łatwo przenika pod wpływem wilgoci, natomiast para wodna przechodzi bez oporu. Suche laminaty są próżnioszczelne, ale zanurzone w wodzie działają jak sita molekularne, blokując niektóre rozpuszczalniki.

W ramach trzeciego projektu wyprodukowano arkusze grafenowe z porami w skali subnanoskopowej (0,40 ± 0,24 nm). Grafen był bombardowany jonami galu, które rozbijają wiązania węglowe. Wytrawianie wyników za pomocą roztworu utleniającego powoduje powstanie dziury w każdym miejscu uderzonym przez jon galu. Długość czasu spędzonego w roztworze utleniającym określiła średnią wielkość porów. Gęstość porów osiągnęła 5 bilionów porów na centymetr kwadratowy, przy zachowaniu integralności strukturalnej. Pory umożliwiały transport kationów przy krótkim czasie utleniania, co było zgodne z elektrostatycznym odpychaniem od ujemnie naładowanych grup funkcyjnych na krawędziach porów. Przy dłuższych czasach utleniania, arkusze były przepuszczalne dla soli, ale nie większych cząsteczek organicznych.

W 2015 roku zespół stworzył herbatę z tlenku grafenu, która w ciągu jednego dnia usunęła 95% metali ciężkich w roztworze wodnym

Jeden projekt nawarstwił atomy węgla w strukturze plastra miodu, tworząc kryształ w kształcie sześciokąta, który mierzył około 0,1 milimetra szerokości i długości, z subnanometrowymi otworami. Późniejsze prace zwiększyły rozmiar membrany do rzędu kilku milimetrów.

Grafen przymocowany do poliwęglanowej struktury nośnej był początkowo skuteczny w usuwaniu soli. Jednakże, w grafenie tworzyły się defekty. Wypełnienie większych defektów nylonem, a małych metalem hafnu, a następnie warstwą tlenku przywróciło efekt filtracji.

W 2016 roku inżynierowie opracowali folie na bazie grafenu, które mogą filtrować brudną/słoną wodę zasilaną energią słoneczną. Do wytworzenia materiału składającego się z dwóch warstw nanocelulozy użyto bakterii. Dolna warstwa zawiera nieskazitelną celulozę, natomiast górna warstwa zawiera celulozę i tlenek grafenu, który absorbuje światło słoneczne i wytwarza ciepło. System zasysa wodę z dołu do materiału. Woda dyfunduje do wyższej warstwy, gdzie odparowuje i pozostawia za sobą wszelkie zanieczyszczenia. Para skrapla się na górze, gdzie może zostać przechwycona. Film jest wytwarzany przez wielokrotne dodawanie płynnej powłoki, która twardnieje. Bakterie wytwarzają włókna nanocelulozowe z przeplatającymi się płatkami tlenku grafenu. Film jest lekki i łatwy do wytworzenia w skali.

CoatingEdit

Optycznie przezroczyste, wielowarstwowe filmy wykonane z tlenku grafenu są nieprzepuszczalne w warunkach suchych. Wystawione na działanie wody (lub pary wodnej), pozwalają na przejście cząsteczek poniżej pewnego rozmiaru. Folie składają się z milionów losowo ułożonych płatków, pozostawiając między nimi nano-wielkie kapilary. Zamykając te nanokapilary za pomocą redukcji chemicznej kwasem jodowym, tworzy się folie „zredukowanego tlenku grafenu” (r-GO), które są całkowicie nieprzepuszczalne dla gazów, cieczy i silnych chemikaliów o grubości większej niż 100 nanometrów. Szklane naczynia lub miedziane płytki pokryte taką grafenową „farbą” mogą być używane jako pojemniki na żrące kwasy. Folie plastikowe pokryte grafenem mogą być stosowane w opakowaniach medycznych w celu poprawy trwałości.

Materiały pokrewneEdit

Zdyspergowane płatki tlenku grafenu mogą być również przesiane z dyspersji (jak w produkcji papieru) i sprasowane, aby uzyskać niezwykle mocny papier z tlenku grafenu.

Tlenek grafenu został wykorzystany w zastosowaniach do analizy DNA. Duża planarna powierzchnia tlenku grafenu pozwala na jednoczesne wygaszanie wielu sond DNA znakowanych różnymi barwnikami, zapewniając wykrywanie wielu celów DNA w tym samym roztworze. Dalsze postępy w dziedzinie czujników DNA opartych na tlenku grafenu mogą zaowocować bardzo tanimi, szybkimi analizami DNA. Ostatnio grupa badaczy z Uniwersytetu w L’Aquila (Włochy) odkryła nowe właściwości zwilżające tlenku grafenu redukowanego termicznie w ultra-wysokiej próżni do 900 °C. Znaleźli oni korelację pomiędzy składem chemicznym powierzchni, swobodną energią powierzchniową oraz jej składnikami polarnymi i dyspersyjnymi, dając uzasadnienie dla właściwości zwilżających tlenku grafenu i zredukowanego tlenku grafenu.

Elastyczna elektroda do akumulatorówEdit

Tlenek grafenu został zademonstrowany jako elastyczny, wolnostojący materiał anodowy do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych w temperaturze pokojowej. Jest on również badany jako środek przewodzący o dużej powierzchni w katodach baterii litowo-siarkowych. Grupy funkcyjne na tlenku grafenu mogą służyć jako miejsca do chemicznej modyfikacji i immobilizacji aktywnych gatunków. Takie podejście pozwala na tworzenie hybrydowych architektur materiałów elektrodowych. W ostatnim czasie zostało to zaimplementowane w bateriach litowo-jonowych, które znane są z możliwości wielokrotnego ładowania kosztem niskich limitów pojemności. W ostatnich badaniach wykazano, że kompozyty na bazie tlenku grafenu funkcjonalizowane tlenkami i siarczkami metali zwiększają wydajność baterii. Zostało to również zaadaptowane do zastosowań w superkondensatorach, ponieważ właściwości elektroniczne tlenku grafenu pozwalają na ominięcie niektórych z ograniczeń typowych elektrod z tlenków metali przejściowych. Badania w tej dziedzinie są w toku, a dodatkowe badania nad metodami obejmującymi domieszkowanie azotem i dostosowanie pH w celu poprawy pojemności. Dodatkowo, obecnie prowadzone są badania nad zredukowanymi arkuszami tlenku grafenu, które wykazują lepsze właściwości elektroniczne, zbliżone do czystego grafenu. Zastosowania zredukowanego tlenku grafenu znacznie zwiększają przewodnictwo i wydajność, jednocześnie poświęcając pewną elastyczność i integralność strukturalną.

Soczewka z tlenku grafenuEdit

Soczewka optyczna odgrywa krytyczną rolę w niemal wszystkich dziedzinach nauki i technologii od czasu jej wynalezienia około 3000 lat temu. Wraz z postępem w technikach mikro- i nanofabrykacji, stała miniaturyzacja konwencjonalnych soczewek optycznych zawsze była wymagana dla różnych zastosowań, takich jak komunikacja, czujniki, przechowywanie danych i wiele innych branż napędzanych przez technologię i konsumentów. Coraz mniejsze rozmiary i cieńsze grubości mikrosoczewek są szczególnie potrzebne w przypadku optyki o długości fali lub nanooptyki o wyjątkowo małych strukturach, zwłaszcza w zastosowaniach w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. Ponadto, w miarę kurczenia się skali odległości dla komunikacji optycznej, wymagane rozmiary funkcji mikrosoczewek są szybko spychane w dół.

Ostatnio, doskonałe właściwości nowo odkrytego tlenku grafenu zapewniają nowe rozwiązania w celu przezwyciężenia wyzwań obecnych planarnych urządzeń skupiających. W szczególności wykazano gigantyczną modyfikację współczynnika załamania światła (tak dużą jak 10^-1), która jest o jeden rząd wielkości większa niż obecne materiały, pomiędzy tlenkiem grafenu (GO) a zredukowanym tlenkiem grafenu (rGO) poprzez dynamiczne manipulowanie zawartością tlenu przy użyciu metody bezpośredniego zapisu laserowego (DLW). W rezultacie, całkowita grubość soczewki może być potencjalnie zmniejszona ponad dziesięciokrotnie. Stwierdzono również, że liniowa absorpcja optyczna GO wzrasta wraz z pogłębianiem się redukcji GO, co skutkuje kontrastem transmisyjnym pomiędzy GO i rGO, a tym samym zapewnia mechanizm modulacji amplitudy. Co więcej, zarówno współczynnik załamania światła, jak i absorpcja optyczna są pozbawione dyspersji w szerokim zakresie długości fal od widzialnych do bliskiej podczerwieni. Wreszcie, film GO oferuje elastyczne możliwości kształtowania za pomocą bezmasowej metody DLW, co zmniejsza złożoność produkcji i wymagania.

W rezultacie, nowatorska ultracienka soczewka planarna na cienkiej folii GO została ostatnio zrealizowana za pomocą metody DLW. Wyraźną zaletą płaskiej soczewki GO jest to, że modulacja fazy i modulacja amplitudy mogą być osiągnięte jednocześnie, które są przypisane do gigantycznej modulacji współczynnika załamania światła i zmiennej liniowej absorpcji optycznej GO podczas procesu redukcji, odpowiednio. Ze względu na zwiększoną zdolność kształtowania czoła fali, grubość soczewki została zepchnięta do skali podwymiarowej (~200 nm), która jest cieńsza niż wszystkie obecne soczewki dielektryczne (skala ~ µm). Intensywność ogniskowania i długość ogniska można skutecznie kontrolować poprzez zmianę mocy lasera i rozmiaru soczewki. Dzięki zastosowaniu w procesie DLW zanurzonego w oleju obiektywu o wysokiej NA, udało się wytworzyć na folii GO element o wielkości 300 nm, a zatem minimalny rozmiar soczewki został zmniejszony do 4,6 µm średnicy, co jest najmniejszą planarną mikrosoczewką i może być zrealizowane tylko przy użyciu metasfery za pomocą FIB. Następnie długość ogniskowej można zmniejszyć do zaledwie 0,8 µm, co potencjalnie zwiększyłoby aperturę numeryczną (NA) i rozdzielczość ogniskowania.

Doświadczalnie zademonstrowano pełną szerokość przy połowie maksimum (FWHM) 320 nm w minimalnym punkcie ogniskowym przy użyciu wiązki wejściowej 650 nm, co odpowiada efektywnej aperturze numerycznej (NA) 1,24 (n=1,5), największej NA wśród obecnych mikrosoczewek. Ponadto, przy użyciu tej samej soczewki planarnej udało się uzyskać ultra szerokopasmowe ogniskowanie od 500 nm do 2 µm, co nadal stanowi poważne wyzwanie w ogniskowaniu w zakresie podczerwieni ze względu na ograniczoną dostępność odpowiednich materiałów i technologii wytwarzania. Co najważniejsze, zsyntetyzowane wysokiej jakości cienkie warstwy GO mogą być elastycznie integrowane na różnych podłożach i łatwo wytwarzane za pomocą jednoetapowej metody DLW na dużym obszarze przy porównywalnie niskim koszcie i mocy (~nJ/puls), co ostatecznie sprawia, że płaskie soczewki GO są obiecujące dla różnych praktycznych zastosowań.

Konwersja energiiEdit

Fotokatalityczne rozszczepianie wody jest procesem sztucznej fotosyntezy, w którym woda jest rozkładana na wodór (H2) i tlen (O2), przy użyciu sztucznego lub naturalnego światła. Metody takie jak fotokatalityczne rozszczepianie wody są obecnie badane w celu produkcji wodoru jako czystego źródła energii. Wysoka mobilność elektronów i duża powierzchnia arkuszy tlenku grafenu sugerują, że może on być zaimplementowany jako katalizator spełniający wymagania tego procesu. W szczególności, grupy funkcyjne tlenku grafenu – epoksydowe (-O-) i wodorotlenkowe (-OH) pozwalają na bardziej elastyczną kontrolę procesu rozszczepiania wody. Elastyczność ta może być wykorzystana do dostosowania przerwy pasmowej i pozycji pasm, które są celem w fotokatalitycznym rozszczepianiu wody. Ostatnie eksperymenty badawcze wykazały, że aktywność fotokatalityczna tlenku grafenu zawierającego przerwę pasmową w wymaganych granicach daje efektywne wyniki w procesie rozszczepiania wody, szczególnie gdy jest on stosowany z 40-50% pokryciem przy stosunku wodorotlenku do epoksydu 2:1. W przypadku zastosowania w materiałach kompozytowych z CdS (typowy katalizator stosowany w fotokatalitycznym rozszczepianiu wody) wykazano, że nanokompozyty tlenku grafenu wykazują zwiększoną produkcję wodoru i wydajność kwantową.

Magazynowanie wodoruEdit

Tlenek grafenu jest również badany pod kątem jego zastosowań w magazynowaniu wodoru. Cząsteczki wodoru mogą być przechowywane wśród grup funkcyjnych opartych na tlenie znajdujących się w całym arkuszu. Ta zdolność do magazynowania wodoru może być dalej manipulowana poprzez modulowanie odległości międzywarstwowej pomiędzy arkuszami, jak również dokonywanie zmian w rozmiarach porów. Badania nad dekorowaniem sorbentów węglowych metalami przejściowymi w celu zwiększenia energii wiązania wodoru doprowadziły do eksperymentów z tytanem i magnezem zakotwiczonymi w grupach hydroksylowych, co pozwala na wiązanie wielu cząsteczek wodoru.

.