Znanstveniki so odkrili, zakaj grafenov oksid ne gori le pri visokih temperaturah, ampak odpira vrata obetavni in poceni metodi proizvodnje grafena. Raziskava je objavljena v reviji Carbon.
Minilo je že več kot desetletje, odkar je bila podeljena Nobelova nagrada za eksperimentalne raziskave grafena, vendar znanstveniki še vedno niso našli načina za pridobitev visokokakovostnega grafena z velikimi površinami, ki bi bil poceni, učinkovit in dovolj razširljiv, da bi ustrezal industrijskim potrebe. Zdi se, da je redukcija grafena iz grafenovega oksida z laserskim obsevanjem obetaven pristop: z uporabo kemičnih metod za pripravo grafenovega oksida iz običajnega grafita lasersko podprta redukcijska tehnologija veliko obeta v smislu stroškov in obvladljivosti kakovosti materiala.
Pred nekaj leti je skupina raziskovalcev iz Skoltecha odkrila, da je mogoče grafenov oksid segreti na 3300-3800 K, tudi v atmosferskih pogojih, da se proizvede grafen dokaj visoke kakovosti.
Nikita Orekhov je dejal: "Ta rezultat je presenetil naše kolege: temperatura je bila zelo visoka, vendar so dobili dobro strukturiran material. Ogljikovi materiali zlahka gorijo v atmosferskem kisiku pri 600-800 K ali višji, medtem ko so v poskusih pri višjih temperaturah grafen dosega dobre strukturne lastnosti." Nikita Orekhov, pomočnik direktorja Laboratorija za superračunalniške metode fizike kondenzirane snovi MIT, je dejal: "Da bi ugotovili vzrok tega nepričakovanega učinka, smo se odločili preučiti postopek redukcije visokotemperaturnega grafenovega oksida z uporabo superračunalniških atomskih modelov in izvesti dodatne študije po eksperimentalnem načrtu naših kolegov."
Pod delovanjem laserskega impulza rdeče označeni ogljikovi atomi na meji grafenskega lista "izgorejo". B - V osrednjem delu grafenskega lista pride do žarjenja: grafen je razporejen v pravilno stabilno strukturo.
Raziskovalci so ugotovili, da po eni strani pri visokih temperaturah (T> 3000k) atomi kisika v plinskem okolju medsebojno delujejo z grafenom, ga oksidirajo in uničijo. Po drugi strani pa se pri isti temperaturi začne hitro žarjenje kristalne mreže, kar omogoča odpravo napak. Med žarjenjem se mrežasta struktura zravna, namesto da razpade.
Temperatura in krivulje razmerja I(G)/I(D) niza rGO se zmanjšajo pri različnih hitrostih laserja in hitrosti ponavljanja impulza.
"Izkazalo se je, da se dva nasprotna procesa pojavljata hkrati na različnih lokacijah materiala, ki je izpostavljen laserskim impulzom: zgorevanje ali uničenje je koncentrirano v bližini napak in meja grafenskih listov, kjer imajo ogljikovi atomi najbolj aktivno kemično aktivnost, medtem ko žarijo pojavlja predvsem v središču listov, kjer se atomi nagibajo k vrnitvi v stabilno konfiguracijo." Stanislav Evlashin, glavni raziskovalec na Skoltechovem centru za tehnologijo materialov (CMT).
Ugotovitve osvetljujejo, kako se grafenov oksid obnaša pri ekstremnih temperaturah, kjer so neposredni poskusi skoraj nemogoči. Razumevanje procesa, opisanega v tem dokumentu, lahko pomaga pri nadaljnjem razvoju in optimizaciji metod za pridobivanje monokristalnega visokokakovostnega grafena z veliko površino.
Atomska struktura (a) in shema toplotnega stanja (b) GO. Časovni razvoj skupnega atomskega števila (c), atomskega števila ogljika (d) in atomskega števila kisika (e) med simulacijo pri različnih temperaturah. Atomi ogljika, kisika in vodika so prikazani v modri, rdeči oziroma sivi barvi.
Vir: Mehanizem laserske redukcije grafenovega oksida pri okoljskih pogojih: Eksperimentalna in študija ReaxFF, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018; Nadzorovana laserska redukcija grafen oksidnih filmov za fotoelektronske aplikacije, materiali in vmesniki, ki jih uporablja ACSA (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145