Óxido de grafite

Não-linearidade ópticaEditar

Materiais ópticos não-lineares são de grande importância para a fotónica ultra-rápida e a optoelectrónica. Recentemente, a não linearidade óptica gigante do óxido de grafeno (GO) provou ser útil para uma série de aplicações. Por exemplo, a limitação óptica de GO é indispensável para proteger instrumentos sensíveis de danos induzidos por laser. E a absorção saturável pode ser usada para compressão de pulso, mode-locking e Q-switching. Além disso, a refracção não linear (efeito Kerr) é crucial para funcionalidades que incluem comutação totalmente óptica, regeneração de sinal e comunicações ópticas rápidas.

Uma das propriedades mais intrigantes e únicas do GO é que as suas propriedades eléctricas e ópticas podem ser ajustadas dinamicamente, manipulando o conteúdo de grupos contendo oxigénio através de métodos de redução química ou física. A afinação das não linearidades ópticas tem sido demonstrada durante todo o seu processo de redução induzida pelo laser através do aumento contínuo da irradiação laser e foram descobertas quatro fases de diferentes actividades não lineares, que podem servir como materiais de estado sólido promissores para novos dispositivos funcionais não lineares. Está também provado que as nanopartículas metálicas podem aumentar muito a não linearidade óptica e a fluorescência do óxido de grafeno.

Fabricação de grafenoEditar

Óxido de grafito tem atraído muito interesse como uma possível rota para a produção e manipulação em larga escala do grafeno, um material com propriedades eletrônicas extraordinárias. O próprio óxido de grafite é um isolante, quase um semicondutor, com condutividade diferencial entre 1 e 5×10-3 S/cm a uma tensão de polarização de 10 V. No entanto, sendo hidrofílico, o óxido de grafite dispersa-se rapidamente na água, quebrando-se em flocos macroscópicos, na sua maioria de uma camada de espessura. A redução química destes flocos produziria uma suspensão de flocos de grafeno. Foi argumentado que a primeira observação experimental do grafeno foi relatada por Hanns-Peter Boehm em 1962. Neste trabalho inicial foi demonstrada a existência de flocos de óxido de grafeno com redução monocamada. A contribuição de Boehm foi recentemente reconhecida por Andre Geim, o vencedor do Prêmio Nobel de pesquisa em grafeno.

A redução parcial pode ser obtida pelo tratamento do óxido de grafeno suspenso com hidrazina hidratada a 100 °C por 24 horas, pela exposição do óxido de grafeno ao plasma de hidrogênio por alguns segundos, ou pela exposição a um forte pulso de luz, como o de um flash de xenônio. Devido ao protocolo de oxidação, defeitos múltiplos já presentes no óxido de grafeno dificultam a eficácia da redução. Assim, a qualidade do grafeno obtida após a redução é limitada pela qualidade do precursor (óxido de grafeno) e pela eficiência do agente redutor. Entretanto, a condutividade do grafeno obtido por esta via é inferior a 10 S/cm, e a mobilidade da carga está entre 0,1 e 10 cm2/V. Estes valores são muito superiores aos do óxido, mas ainda assim algumas ordens de magnitude inferiores às do grafeno puro. Recentemente, o protocolo sintético para o óxido de grafite foi otimizado e foi obtido um óxido de grafite quase intacto com uma estrutura de carbono preservada. A redução deste óxido de grafeno quase intacto tem um desempenho muito melhor e os valores de mobilidade dos portadores de carga excedem 1000 cm2/V para a melhor qualidade dos flocos. A inspeção com o microscópio de força atômica mostra que as ligações de oxigênio distorcem a camada de carbono, criando uma rugosidade intrínseca pronunciada nas camadas de óxido que persiste após a redução. Estes defeitos também aparecem nos espectros Raman de óxido de grafeno.

Grandes quantidades de folhas de grafeno também podem ser produzidas através de métodos térmicos. Por exemplo, em 2006 foi descoberto um método que simultaneamente esfolia e reduz o óxido de grafite por aquecimento rápido (>2000 °C/min) a 1050 °C. A esta temperatura, o dióxido de carbono é liberado à medida que as funcionalidades de oxigênio são removidas e separa explosivamente as folhas à medida que saem.

Expor um filme de óxido de grafite ao laser de um DVD LightScribe também revelou produzir grafeno de qualidade a um baixo custo.

O óxido de grafite também foi reduzido a grafite in situ, usando um padrão impresso 3D de bactérias E. coli projetadas.

Purificação da águaEditar

Óxidos de grafite foram estudados para dessalinização da água usando osmose reversa a partir dos anos 60. Em 2011 foram lançadas pesquisas adicionais.

Em 2013 a Lockheed Martin anunciou seu filtro de grafeno Perforene. A Lockheed afirma que o filtro reduz os custos de energia da dessalinização por osmose inversa em 99%. A Lockheed afirmou que o filtro era 500 vezes mais fino que o melhor filtro do mercado, mil vezes mais forte e requer 1% da pressão. Não se esperava que o produto fosse liberado até 2020.

Um outro estudo mostrou que o óxido de grafite poderia ser projetado para permitir a passagem de água, mas reter alguns íons maiores. Capilares estreitos permitem uma rápida permeação por água mono ou bilayer. Os laminados multicamadas têm uma estrutura semelhante ao nácar, o que proporciona resistência mecânica em condições de ausência de água. O hélio não pode passar através das membranas em condições livres de humidade, mas penetra facilmente quando exposto à humidade, enquanto que o vapor de água passa sem resistência. Os laminados secos são estanques ao vácuo, mas imersos em água, actuam como peneiras moleculares, bloqueando alguns solutos.

Um terceiro projecto produziu folhas de grafeno com poros subnanoscópicos (0,40 ± 0,24 nm). O grafeno foi bombardeado com íons de gálio, que interrompem as ligações de carbono. O resultado com uma solução oxidante produz um buraco em cada ponto atingido por um íon de gálio. O tempo gasto na solução oxidante determinou o tamanho médio dos poros. A densidade dos poros atingiu 5 triliões de poros por centímetro quadrado, mantendo a integridade estrutural. Os poros permitiram o transporte catiônico em curtos tempos de oxidação, consistente com a repulsão eletrostática de grupos funcionais carregados negativamente nas bordas dos poros. Em tempos de oxidação mais longos, as folhas eram permeáveis ao sal mas não a moléculas orgânicas maiores.

Em 2015 uma equipe criou um chá de óxido de grafite que ao longo de um dia removeu 95% dos metais pesados em uma solução de água

Um projeto em camadas de átomos de carbono em uma estrutura alveolar, formando um cristal em forma de hexágono que media cerca de 0,1 milímetros de largura e comprimento, com furos subnanométricos. Trabalhos posteriores aumentaram o tamanho da membrana para a ordem de vários milímetros.

Graphene ligado a uma estrutura de suporte de policarbonato foi inicialmente eficaz na remoção de sal. No entanto, os defeitos formados no grafeno. Preenchendo defeitos maiores com nylon e pequenos defeitos com háfnio metálico seguido por uma camada de óxido restaurou o efeito de filtração.

Em 2016 engenheiros desenvolveram filmes à base de grafite que podem filtrar água suja/salgada alimentada pelo sol. Bactérias foram utilizadas para produzir um material constituído por duas camadas de nanocelulose. A camada inferior contém celulose pura, enquanto a camada superior contém celulose e óxido de grafite, que absorve a luz solar e produz calor. O sistema atrai água de baixo para o material. A água difunde-se para a camada superior, onde evapora e deixa para trás quaisquer contaminantes. O evaporado condensa-se na parte superior, onde pode ser capturado. O filme é produzido pela adição repetida de um revestimento fluido que endurece. As bactérias produzem fibras nanocelulósicas com flocos de óxido de grafite intercalados. A película é leve e facilmente fabricada em escala.

RevestimentoEditar

Filmes opticamente transparentes, multicamadas, feitos de óxido de grafeno são impermeáveis em condições secas. Expostos à água (ou vapor de água), eles permitem a passagem de moléculas abaixo de um determinado tamanho. As películas consistem em milhões de flocos empilhados aleatoriamente, deixando capilares de tamanho nanométrico entre eles. Fechando estes nanocapilares usando redução química com ácido hidroiodíco cria películas de “óxido de grafite reduzido” (r-GO) que são completamente impermeáveis a gases, líquidos ou produtos químicos fortes com mais de 100 nanômetros de espessura. As placas de vidro ou de cobre cobertas com uma tal “tinta” de grafeno podem ser utilizadas como recipientes para ácidos corrosivos. Filmes plásticos revestidos com grafeno podem ser usados em embalagens médicas para melhorar a vida útil.

Materiais relacionadosEditar

Flocos de óxido de grafeno dispersos também podem ser peneirados da dispersão (como na fabricação de papel) e prensados para fazer um papel de óxido de grafeno extremamente forte.

O óxido de grafeno tem sido usado em aplicações de análise de DNA. A grande superfície plana do óxido de grafeno permite a têmpera simultânea de múltiplas sondas de DNA rotuladas com diferentes corantes, proporcionando a detecção de múltiplos alvos de DNA na mesma solução. Outros avanços em sensores de DNA baseados em óxido de grafeno poderiam resultar em análises rápidas de DNA muito baratas. Recentemente um grupo de investigadores, da Universidade de L’Aquila (Itália), descobriu novas propriedades de humedecimento do óxido de grafeno termicamente reduzido em vácuo ultra-alto até 900 °C. Eles encontraram uma correlação entre a composição química da superfície, a energia livre da superfície e seus componentes polares e dispersivos, dando uma razão para as propriedades de umectação do óxido de grafieno e óxido de grafieno reduzido.

Eletrodo de bateria recarregável flexívelEditar

Óxido de grafieno foi demonstrado como um material flexível de ânodo de bateria livre para baterias de íon-lítio e íon sódio à temperatura ambiente. Também está sendo estudado como um agente condutor de alta área superficial em catodos de baterias de lítio-enxofre. Os grupos funcionais sobre óxido de grafeno podem servir como locais para modificação química e imobilização de espécies ativas. Esta abordagem permite a criação de arquitecturas híbridas para materiais de eléctrodos. Exemplos recentes disso foram implementados em baterias de íons de lítio, que são conhecidas por serem recarregáveis ao custo de limites de baixa capacidade. Compostos à base de óxido de grafite funcionalizados com óxidos e sulfuretos metálicos têm sido mostrados em pesquisas recentes para induzir um melhor desempenho das baterias. Isto foi igualmente adaptado em aplicações em supercapacitores, uma vez que as propriedades electrónicas do óxido de grafeno permitem que este contorne algumas das restrições mais prevalentes dos eléctrodos de óxido metálico de transição típicos. A pesquisa neste campo está se desenvolvendo, com exploração adicional de métodos envolvendo doping de nitrogênio e ajuste de pH para melhorar a capacitância. Além disso, pesquisas sobre folhas reduzidas de óxido de grafeno, que apresentam propriedades eletrônicas superiores às do grafeno puro, estão sendo exploradas atualmente. Aplicações reduzidas de óxido de grafite aumentam muito a condutividade e eficiência, enquanto sacrificam alguma flexibilidade e integridade estrutural.

Lente de óxido de grafiteEditar

A lente óptica tem desempenhado um papel crítico em quase todas as áreas da ciência e tecnologia desde a sua invenção há cerca de 3000 anos. Com os avanços nas técnicas de micro e nanofabricação, a miniaturização contínua das lentes ópticas convencionais tem sido sempre solicitada para várias aplicações, tais como comunicações, sensores, armazenamento de dados e uma vasta gama de outras indústrias orientadas para a tecnologia e para o consumidor. Especificamente, tamanhos cada vez menores, bem como espessuras cada vez mais finas de micro lentes, são altamente necessários para ópticas de sub-comprimento de onda ou nano-ópticas com estruturas extremamente pequenas, particularmente para aplicações visíveis e próximas ao ar. Além disso, à medida que a escala de distância para comunicações ópticas diminui, os tamanhos das micro lentes são rapidamente reduzidos.

Recentemente, as excelentes propriedades do óxido de grafeno recém-descoberto fornecem soluções inovadoras para superar os desafios dos actuais dispositivos de focalização planar. Especificamente, a modificação do índice de refração gigante (tão grande quanto 10^-1), que é uma ordem de magnitude maior do que os materiais atuais, entre o óxido de grafeno (GO) e o óxido de grafeno reduzido (rGO) foram demonstrados pela manipulação dinâmica de seu conteúdo de oxigênio usando o método de escrita direta a laser (DLW). Como resultado, a espessura total da lente pode ser potencialmente reduzida em mais de dez vezes. Além disso, a absorção óptica linear de GO aumenta à medida que a redução de GO se aprofunda, o que resulta em contraste de transmissão entre GO e rGO e, portanto, fornece mecanismo de modulação de amplitude. Além disso, tanto o índice de refracção como a absorção óptica são encontrados sem dispersão numa ampla gama de comprimentos de onda, desde visível a infravermelho próximo. Finalmente, o filme GO oferece uma capacidade flexível de padrões usando o método DLW sem máscara, o que reduz a complexidade de fabricação e os requisitos.

Como resultado, uma nova lente ultralatina plana em um filme GO fino foi realizada recentemente usando o método DLW. A vantagem distinta da lente plana GO é que a modulação de fase e a modulação de amplitude podem ser obtidas simultaneamente, que são atribuídas à modulação do índice de refracção gigante e à absorção óptica linear variável de GO durante o seu processo de redução, respectivamente. Devido à maior capacidade de moldagem da frente de onda, a espessura da lente é empurrada para baixo até à escala de sub-comprimento de onda (~200 nm), que é mais fina do que todas as lentes dieléctricas actuais (~ escala µm). As intensidades de focagem e a distância focal podem ser controladas eficazmente através da variação das potências do laser e dos tamanhos das lentes, respectivamente. Utilizando a objectiva de imersão em óleo de alta NA durante o processo DLW, foi realizado um tamanho de 300 nm na película GO e, portanto, o tamanho mínimo da lente foi reduzido para 4,6 µm de diâmetro, que é a menor micro lente plana e só pode ser realizada com metasuperfície por FIB. A partir daí, a distância focal pode ser reduzida até 0,8 µm, o que potencialmente aumentaria a abertura numérica (NA) e a resolução de focagem.

A largura total a meio-máximo (FWHM) de 320 nm no ponto focal mínimo usando um feixe de entrada de 650 nm foi demonstrada experimentalmente, o que corresponde à abertura numérica (NA) efectiva de 1,24 (n=1,5), a maior NA das actuais micro lentes. Além disso, a capacidade de focalização ultra-broadband de 500 nm a até 2 µm foi realizada com a mesma lente plana, o que ainda é um grande desafio de focalização na faixa infravermelha devido à disponibilidade limitada de materiais adequados e tecnologia de fabricação. Mais importante ainda, os filmes finos GO de alta qualidade sintetizados podem ser flexivelmente integrados em vários substratos e facilmente fabricados usando o método DLW de uma etapa sobre uma grande área a um custo e potência baixos comparáveis (~nJ/pulso), o que eventualmente torna as lentes planas GO promissoras para várias aplicações práticas.

Conversão de energiaEditar

Fotocatalítica Water Splitting é um processo de fotossíntese artificial no qual a água é dissociada em hidrogénio (H2) e oxigénio (O2), usando luz artificial ou natural. Métodos como a divisão fotocatalítica da água estão atualmente sendo investigados para produzir hidrogênio como uma fonte limpa de energia. A superior mobilidade dos elétrons e a alta área de superfície das folhas de óxido de grafeno sugerem que ele pode ser implementado como um catalisador que atenda aos requisitos para este processo. Especificamente, os grupos funcionais composicionais de epóxidos (-O-) e hidróxidos (-OH) de óxido de grafieno permitem um controle mais flexível no processo de divisão de água. Esta flexibilidade pode ser utilizada para adequar o intervalo da banda e as posições da banda que são alvo da divisão fotocatalítica da água. Experiências recentes de pesquisa demonstraram que a atividade fotocatalítica de óxido de grafeno contendo uma abertura de banda dentro dos limites requeridos produziu resultados efetivos de divisão, particularmente quando usada com cobertura de 40-50% a uma razão 2:1 de hidróxido:epoxídico. Quando usado em materiais compostos com CdS (um catalisador típico usado na divisão fotocatalítica de água), os nanocompósitos de óxido de grafieno têm demonstrado uma maior produção de hidrogênio e eficiência quântica.

Armazenamento de hidrogênioEditar

Oxido de grafieno também está sendo explorado para suas aplicações no armazenamento de hidrogênio. As moléculas de hidrogênio podem ser armazenadas entre os grupos funcionais baseados em oxigênio encontrados ao longo da folha. Esta capacidade de armazenamento de hidrogênio pode ser ainda mais manipulada através da modulação da distância entre as camadas, assim como fazer alterações nos tamanhos dos poros. Pesquisas na decoração de metais de transição em sorbentes de carbono para melhorar a energia de ligação de hidrogênio levaram a experimentos com titânio e magnésio ancorados a grupos hidroxila, permitindo a ligação de múltiplas moléculas de hidrogênio.