Grafitoxid

Optisk olinjäritetEdit

Nonjär optiska material är av stor betydelse för ultrasnabb fotonik och optoelektronik. Nyligen har den gigantiska optiska olinjäriteten hos grafenoxid (GO) visat sig vara användbar för ett antal tillämpningar. GO:s optiska begränsning är till exempel oumbärlig för att skydda känsliga instrument från laserinducerad skada. Den mättade absorptionen kan användas för pulskompression, mode-locking och Q-switching. Dessutom är den icke-linjära brytningen (Kerr-effekten) avgörande för funktioner som helt optisk omkoppling, signalregenerering och snabb optisk kommunikation.

En av de mest spännande och unika egenskaperna hos GO är att dess elektriska och optiska egenskaper kan ställas in dynamiskt genom att man manipulerar innehållet av syrehaltiga grupper genom antingen kemiska eller fysikaliska reduktionsmetoder. Inställningen av de optiska icke-linjäriteterna har visats under hela den laserinducerade reduktionsprocessen genom kontinuerlig ökning av laserstrålningen och fyra stadier av olika icke-linjära aktiviteter har upptäckts, vilka kan fungera som lovande fasta material för nya icke-linjära funktionella anordningar. Det är också bevisat att metallnanopartiklar i hög grad kan förbättra den optiska icke-linjäriteten och fluorescensen hos grafenoxid.

GrafentillverkningRedigera

Grafitoxid har väckt stort intresse som en möjlig väg för storskalig produktion och manipulation av grafen, ett material med extraordinära elektroniska egenskaper. Grafitoxid i sig är en isolator, nästan en halvledare, med en differentiell ledningsförmåga mellan 1 och 5×10-3 S/cm vid en förspänning på 10 V. Eftersom grafitoxid är hydrofil, sprids den lätt i vatten och bryts upp i makroskopiska flingor, som oftast är ett lager tjocka. Kemisk reduktion av dessa flingor skulle ge en suspension av grafenflingor. Det hävdades att den första experimentella observationen av grafen rapporterades av Hanns-Peter Boehm 1962. I detta tidiga arbete påvisades förekomsten av reducerade grafenoxidflingor i ett enda lager. Boehms bidrag erkändes nyligen av Andre Geim, nobelpristagare för grafenforskning.

Den partiella reduktionen kan uppnås genom att behandla den suspenderade grafenoxiden med hydrazinhydrat vid 100 °C i 24 timmar, genom att utsätta grafenoxiden för väteplasma i några sekunder eller genom att utsätta den för en stark ljuspuls, t.ex. från en Xenonblixt. På grund av oxidationsprotokollet försvårar de många defekter som redan finns i grafenoxid effektiviteten av reduktionen. Den grafenkvalitet som erhålls efter reduktion begränsas således av prekursorns kvalitet (grafenoxid) och reduktionsmedlets effektivitet. Ledningsförmågan hos grafen som erhålls på detta sätt är dock lägre än 10 S/cm och laddningsrörligheten ligger mellan 0,1 och 10 cm2/Vs. Dessa värden är mycket högre än oxidens, men fortfarande några storleksordningar lägre än för ren grafen. Nyligen optimerades det syntetiska protokollet för grafitoxid och nästan intakt grafenoxid med ett bevarat kolramverk erhölls. Reduktion av denna nästan intakta grafenoxid fungerar mycket bättre och rörlighetsvärdena för laddningsbärare överstiger 1000 cm2/Vs för flingor av bästa kvalitet. Inspektion med atomkraftmikroskopet visar att syrebindningarna förvränger kolskiktet och skapar en uttalad inneboende ojämnhet i oxidskikten som kvarstår efter reduktionen. Dessa defekter syns också i Raman-spektra av grafenoxid.

Stora mängder grafenplattor kan också framställas genom termiska metoder. År 2006 upptäckte man till exempel en metod som samtidigt exfolierar och reducerar grafitoxid genom snabb uppvärmning (>2000 °C/min) till 1050 °C. Vid denna temperatur frigörs koldioxid när syrefunktionerna avlägsnas och separerar plåtarna explosivt när den kommer ut.

Exponering av en film av grafitoxid för lasern i en LightScribe DVD har också avslöjat att man kan producera kvalitetsgrafen till en låg kostnad.

Grafenoxid har också reducerats till grafen in situ, med hjälp av ett 3D-utskrivet mönster av konstruerade E. coli-bakterier.

VattenreningRedigera

Grafitoxider studerades för avsaltning av vatten med hjälp av omvänd osmos med början på 1960-talet. År 2011 släpptes ytterligare forskning.

2013 tillkännagav Lockheed Martin sitt grafenfilter Perforene. Lockheed hävdar att filtret minskar energikostnaderna för avsaltning genom omvänd osmos med 99 %. Lockheed hävdade att filtret var 500 gånger tunnare än det bästa filtret som då fanns på marknaden, tusen gånger starkare och kräver 1 % av trycket. Produkten förväntades inte släppas förrän 2020.

En annan studie visade att grafitoxid kan konstrueras så att den tillåter vatten att passera, men behåller vissa större joner. Smala kapillärer möjliggör snabb permeation av vatten i mono- eller bilager. Laminerade flerskiktsmaterial har en struktur som liknar nacre, vilket ger mekanisk styrka vid vattenfria förhållanden. Helium kan inte passera genom membranen under fuktfria förhållanden, men tränger lätt igenom när det utsätts för fukt, medan vattenånga passerar utan motstånd. Torra laminat är vakuumtäta, men nedsänkt i vatten fungerar de som molekylära silar och blockerar vissa lösningsmedel.

Ett tredje projekt producerade grafenplattor med porer i subnanoskala (0,40 ± 0,24 nm). Grafenet bombarderades med galliumjoner, som bryter upp kolbindningar. Genom att etsa resultatet med en oxiderande lösning uppstår ett hål i varje punkt som träffas av en galliumjon. Längden på tiden i den oxiderande lösningen bestämde den genomsnittliga porstorleken. Pordens täthet nådde 5 biljoner porer per kvadratcentimeter, samtidigt som den strukturella integriteten bibehölls. Porerna möjliggjorde katjontransport vid korta oxidationstider, vilket är förenligt med elektrostatisk avstötning från negativt laddade funktionella grupper vid porernas kanter. Vid längre oxidationstider var arken genomsläppliga för salt men inte för större organiska molekyler.

Under 2015 skapade ett team ett grafenoxidte som under loppet av en dag avlägsnade 95 % av tungmetallerna i en vattenlösning.

Ett projekt skiktade kolatomer i en honungsradens struktur och bildade en sexkantig kristall som mätte cirka 0,1 millimeter i bredd och längd, med subnanometerhål. Senare arbete ökade membranstorleken till i storleksordningen flera millimeter.

Grafen som fästes på en stödstruktur av polykarbonat var till en början effektivt för att avlägsna salt. Det bildades dock defekter i grafenet. Genom att fylla större defekter med nylon och små defekter med hafniummetall följt av ett lager oxid återställdes filtreringseffekten.

2016 utvecklade ingenjörer grafenbaserade filmer som kan filtrera smutsigt/salt vatten som drivs av solen. Bakterier användes för att producera ett material som består av två nanocellulosaskikt. Det undre lagret innehåller ren cellulosa, medan det övre lagret innehåller cellulosa och grafenoxid, som absorberar solljus och producerar värme. Systemet drar in vatten underifrån i materialet. Vattnet diffunderar in i det högre lagret, där det avdunstar och lämnar kvar eventuella föroreningar. Avdunstningen kondenserar på toppen, där den kan fångas upp. Filmen framställs genom att upprepade gånger tillföra en flytande beläggning som hårdnar. Bakterier producerar nanocellulosafibrer med insprängda grafenoxidflingor. Filmen är lätt och kan lätt tillverkas i stor skala.

CoatingEdit

Optiskt transparenta flerskiktsfilmer av grafenoxid är ogenomträngliga under torra förhållanden. Exponeras de för vatten (eller vattenånga) tillåter de passage av molekyler under en viss storlek. Filmerna består av miljontals slumpmässigt staplade flingor som lämnar nanostora kapillärer mellan dem. Genom att stänga dessa nanokapillärer med hjälp av kemisk reduktion med jodvätesyra skapas filmer av ”reducerad grafenoxid” (r-GO) som är helt ogenomträngliga för gaser, vätskor eller starka kemikalier med en tjocklek på mer än 100 nanometer. Glasvaror eller kopparplattor som är täckta med en sådan ”färg” av grafen kan användas som behållare för frätande syror. Grafenbelagda plastfilmer skulle kunna användas i medicinska förpackningar för att förbättra hållbarheten.

Relaterade materialEdit

Dispergerade grafenoxidflingor kan också siktas ur dispersionen (som vid papperstillverkning) och pressas för att göra ett oerhört starkt grafenoxidpapper.

Grafenoxid har använts i tillämpningar för DNA-analys. Grafenoxidens stora plana yta gör det möjligt att samtidigt släcka flera DNA-sonder märkta med olika färgämnen, vilket ger möjlighet att detektera flera DNA-mål i samma lösning. Ytterligare framsteg inom grafenoxidbaserade DNA-sensorer skulle kunna resultera i mycket billiga snabba DNA-analyser. Nyligen upptäckte en grupp forskare från universitetet i L’Aquila (Italien) nya vätningsegenskaper hos grafenoxid som reducerats termiskt i ultrahögt vakuum upp till 900 °C. De fann en korrelation mellan ytans kemiska sammansättning, ytans fria energi och dess polära och dispersiva komponenter, vilket ger en förklaring till vätningsegenskaperna hos grafenoxid och reducerad grafenoxid.

Flexibel uppladdningsbar batterielektrodEdit

Grafenoxid har demonstrerats som ett flexibelt, fristående batterianodmaterial för litiumjon- och natriumjonbatterier vid rumstemperatur. Det studeras också som ett ledande medel med hög ytarea i litium-svavel-batterikatoder. De funktionella grupperna på grafenoxid kan fungera som platser för kemisk modifiering och immobilisering av aktiva arter. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att skapa hybridarkitekturer för elektrodmaterial. Nya exempel på detta har genomförts i litiumjonbatterier, som är kända för att vara uppladdningsbara till priset av låga kapacitetsgränser. Grafenoxidbaserade kompositer som funktionaliseras med metalloxider och sulfider har i den senaste forskningen visat sig ge förbättrad batteriprestanda. Detta har på samma sätt anpassats till tillämpningar i superkondensatorer, eftersom grafenoxidens elektroniska egenskaper gör att den kan kringgå några av de mer utbredda begränsningarna hos typiska övergångsmetalloxidelektroder. Forskningen på detta område är under utveckling, med ytterligare utforskning av metoder som inbegriper kvävedopning och pH-justering för att förbättra kapacitansen. Dessutom undersöks för närvarande forskning om reducerade grafenoxidskivor, som uppvisar överlägsna elektroniska egenskaper som liknar ren grafen. Reducerade grafenoxidtillämpningar ökar kraftigt ledningsförmågan och effektiviteten, samtidigt som man offrar viss flexibilitet och strukturell integritet.

GrafenoxidlinsEdit

Den optiska linsen har spelat en avgörande roll inom nästan alla områden inom vetenskap och teknik sedan den uppfanns för cirka 3000 år sedan. Med framstegen inom mikro- och nanofabrikationsteknik har fortsatt miniatyrisering av de konventionella optiska linserna alltid efterfrågats för olika tillämpningar som kommunikation, sensorer, datalagring och ett stort antal andra teknik- och konsumentdrivna branscher. Det finns ett stort behov av allt mindre storlekar och tunnare tjocklekar på mikrolinser för optik under våglängden eller nanooptik med extremt små strukturer, särskilt för synliga och nära infraröda tillämpningar. Eftersom avståndsskalan för optisk kommunikation krymper, pressas också de nödvändiga storlekarna på mikrolinser snabbt nedåt.

Nyligen har de utmärkta egenskaperna hos nyupptäckt grafenoxid gett nya lösningar för att övervinna utmaningarna med nuvarande planära fokuseringsanordningar. Särskilt har gigantiska brytningsindexförändringar (så stora som 10^-1), som är en storleksordning större än de nuvarande materialen, mellan grafenoxid (GO) och reducerad grafenoxid (rGO) påvisats genom att dynamiskt manipulera dess syrehalt med hjälp av direkt laserskrivning (DLW-metoden). Som ett resultat av detta kan den totala linsens tjocklek potentiellt minskas med mer än tio gånger. Det har också visat sig att den linjära optiska absorptionen av GO ökar i takt med att reduktionen av GO blir djupare, vilket resulterar i en transmissionskontrast mellan GO och rGO och därmed ger en mekanism för amplitudmodulering. Dessutom visar sig både brytningsindex och optisk absorption vara utan spridning över ett brett våglängdsområde från det synliga till det nära infraröda området. Slutligen erbjuder GO-filmen en flexibel mönstringsförmåga med hjälp av den masklösa DLW-metoden, vilket minskar tillverkningskomplexiteten och -kraven.

Som ett resultat av detta har en ny ultratunn planär lins på en GO-tunnfilm nyligen förverkligats med hjälp av DLW-metoden. Den tydliga fördelen med den plana GO-linsen är att fasmodulation och amplitudmodulering kan uppnås samtidigt, vilket tillskrivs den gigantiska brytningsindexmoduleringen respektive den variabla linjära optiska absorptionen av GO under dess reduktionsprocess. På grund av den förbättrade förmågan att forma vågfronten pressas linsens tjocklek ner till en nivå under våglängden (~200 nm), vilket är tunnare än alla nuvarande dielektriska linser (~ µm). Fokuseringsintensiteten och brännvidden kan styras effektivt genom att variera lasereffekten respektive linsstorleken. Genom att använda ett objektiv med hög NA-halt i olja under DLW-processen har 300 nm tillverkningsfunktion på GO-filmen realiserats, och därför har den minsta linsstorleken krympt ner till 4,6 µm i diameter, vilket är den minsta plana mikrolinsen och endast kan realiseras med metasurface med hjälp av FIB. Därefter kan brännvidden minskas till så lite som 0,8 µm, vilket potentiellt skulle kunna öka den numeriska aperturen (NA) och fokuseringsupplösningen.

Den fulla bredden vid halvmaximum (FWHM) på 320 nm vid den minsta brännpunkten med hjälp av en ingångsstråle på 650 nm har påvisats experimentellt, vilket motsvarar den effektiva numeriska aperturen (NA) på 1,24 (n=1,5), vilket är den största NA för nuvarande mikrolinser. Dessutom har ultrabredbandig fokuseringsförmåga från 500 nm till så långt som 2 µm förverkligats med samma plana lins, vilket fortfarande är en stor utmaning när det gäller fokusering i det infraröda området på grund av begränsad tillgång till lämpliga material och tillverkningsteknik. Viktigast av allt är att de syntetiserade GO-tunnfilmerna av hög kvalitet kan integreras flexibelt på olika substrat och enkelt tillverkas med hjälp av DLW-metoden i ett steg över ett stort område till en jämförbart låg kostnad och effekt (~nJ/impuls), vilket i slutändan gör de platta GO-linserna lovande för olika praktiska tillämpningar.

EnergiomvandlingRedigera

Fotokatalytisk vattenspjälkning är en konstgjord fotosyntesprocess där vatten delas upp i väte (H2) och syre (O2) med hjälp av konstgjort eller naturligt ljus. Metoder som fotokatalytisk vattendelning undersöks för närvarande för att producera vätgas som en ren energikälla. Den överlägsna elektronrörligheten och den stora ytan hos grafenoxidplattor tyder på att de kan användas som en katalysator som uppfyller kraven för denna process. Grafenoxidens sammansatta funktionella grupper av epoxid (-O-) och hydroxid (-OH) möjliggör en mer flexibel styrning av vattendelningsprocessen. Denna flexibilitet kan användas för att skräddarsy bandgapet och de bandpositioner som är målinriktade vid fotokatalytisk vattenspjälkning. Nya forskningsexperiment har visat att den fotokatalytiska aktiviteten hos grafenoxid med en bandgap inom de nödvändiga gränserna har gett effektiva resultat i fråga om vattenspjälkning, särskilt när den används med en täckningsgrad på 40-50 % i förhållandet 2:1 hydroxid:epoxid. När grafenoxidnanokompositer används i kompositmaterial med CdS (en typisk katalysator som används vid fotokatalytisk vattenspjälkning) har det visat sig att de uppvisar ökad vätgasproduktion och kvanteffektivitet.

VätgaslagringRedigera

Grafenoxid undersöks också för sina tillämpningar inom vätgaslagring. Vätgasmolekyler kan lagras bland de syrebaserade funktionella grupper som finns i hela arket. Denna vätgaslagringsförmåga kan manipuleras ytterligare genom att modulera avståndet mellan skikten mellan skikten samt genom att göra ändringar i porstorlekarna. Forskning om dekoration av övergångsmetaller på kolsorbenter för att öka vätebindningsenergin har lett till experiment med titan och magnesium förankrade i hydroxylgrupper, vilket gör det möjligt att binda flera vätemolekyler.