Tutkijat ovat havainneet, miksi grafeenioksidi ei vain pala korkeissa lämpötiloissa, vaan avaa oven lupaavalle ja edulliselle menetelmälle grafeenin tuotantoon. Tutkimus on julkaistu Carbon-lehdessä.
On kulunut yli vuosikymmen siitä, kun Nobel-palkinto myönnettiin grafeenin kokeellisesta tutkimuksesta, mutta tutkijat eivät ole vieläkään löytäneet tapaa saada korkealaatuista, laaja-alaista grafeenia, joka olisi tarpeeksi halpaa, tehokasta ja skaalautuvaa teollisuuden tarpeisiin. tarpeisiin. Grafeenin pelkistys grafeenioksidista lasersäteilytyksellä vaikuttaa lupaavalta lähestymistavalta: Käyttämällä kemiallisia menetelmiä grafeenioksidin valmistamisessa tavallisesta grafiitista laseravusteisella pelkistystekniikalla on suuri lupaus kustannusten ja materiaalien laadun hallittavuuden kannalta.
Muutama vuosi sitten Skoltechin tutkijaryhmä havaitsi, että grafeenioksidia voidaan kuumentaa 3300-3800 K:een jopa ilmakehän olosuhteissa, jolloin saadaan melko korkealaatuista grafeenia.
Nikita Orekhov sanoi: "Tämä tulos yllätti kollegamme: lämpötila oli erittäin korkea, mutta he saivat hyvin rakenteellisen materiaalin. Hiilimateriaalit palavat helposti ilmakehän hapessa vähintään 600-800 K:ssa, kun taas kokeissa korkeammissa lämpötiloissa grafeeni saavuttaa hyvät rakenteelliset ominaisuudet." Nikita Orekhov, MIT:n kondensoidun aineen fysiikan supertietokonemenetelmien laboratorion apulaisjohtaja, sanoi: "Tämän odottamattoman vaikutuksen syyn selvittämiseksi päätimme tutkia korkean lämpötilan grafeenioksidin pelkistysprosessia supertietokoneiden atomimalleilla ja suorittaa lisätutkimuksia. tutkimuksia kollegojemme kokeellisen suunnittelun mukaisesti."
Laserpulssin vaikutuksesta punaisella merkityt hiiliatomit grafeenilevyn rajalla "palavat loppuun". B - Grafeenilevyn keskialueella tapahtuu hehkutusta: grafeeni on järjestetty oikeaan vakaaseen rakenteeseen.
Tutkijat havaitsivat, että toisaalta korkeissa lämpötiloissa (T> 3000k) kaasuympäristön happiatomit ovat vuorovaikutuksessa grafeenin kanssa hapettaen ja tuhoaen sitä. Toisaalta kidehilan nopea hehkutus alkaa samasta lämpötilasta, mikä mahdollistaa vikojen poistamisen. Hehkutuksen aikana hilarakenne mieluummin suoristuu kuin hajoaa.
rGO-ryhmän lämpötila- ja I(G)/I(D)-suhdekäyrät laskevat eri lasernopeuksilla ja pulssin toistonopeuksilla.
"On käynyt ilmi, että laserpulsseille altistuvan materiaalin eri kohdissa tapahtuu samanaikaisesti kaksi vastakkaista prosessia: palaminen tai tuhoutuminen keskittyy lähelle grafeenilevyjen vikoja ja rajoja, joissa hiiliatomien kemiallinen aktiivisuus on aktiivisinta, samalla kun hehkutus tapahtuu. esiintyy ensisijaisesti arkkien keskellä, missä atomeilla on taipumus palata vakaaseen konfiguraatioon." Stanislav Evlashin, johtava tutkija Skoltechin materiaaliteknologian keskuksesta (CMT).
Löydökset valaisevat grafeenioksidin käyttäytymistä äärimmäisissä lämpötiloissa, joissa suorat kokeet ovat lähes mahdottomia. Tässä artikkelissa kuvatun prosessin ymmärtäminen voi auttaa kehittämään ja optimoimaan menetelmiä, joilla saadaan korkealaatuista suurialueista yksikiteistä grafeenia.
GO:n atomirakenne (a) ja lämpötilakaavio (b). Kokonaisatomiluvun (c), hiiliatomiluvun (d) ja happiatomiluvun (e) aikakehitys simulaation aikana eri lämpötiloissa. Hiilen, hapen ja vedyn atomit on esitetty sinisenä, punaisena ja harmaana.
Lähde: Grafeenioksidilaserpelkistysmekanismi ympäristöolosuhteissa: Experimental and ReaxFF study, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018; Grafeenioksidikalvojen ohjattava laserpelkistys valoelektroniikkasovelluksiin, ACSA-sovellukset ja -liitännät (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145