Znanstvenici su otkrili zašto grafen oksid ne gori samo na visokim temperaturama, već otvara vrata obećavajućoj i jeftinoj metodi proizvodnje grafena. Istraživanje je objavljeno u časopisu Carbon.
Prošlo je više od desetljeća otkako je dodijeljena Nobelova nagrada za eksperimentalno istraživanje grafena, ali znanstvenici još uvijek nisu pronašli način za dobivanje visokokvalitetnog grafena velike površine koji će biti jeftin, učinkovit i dovoljno skalabilan da zadovolji industrijske potrebe. Čini se da je redukcija grafena iz grafen oksida laserskim zračenjem obećavajući pristup: korištenjem kemijskih metoda za pripremu grafen oksida iz običnog grafita, laserski potpomognuta redukcijska tehnologija ima veliko obećanje u pogledu troškova i mogućnosti kontrole kvalitete materijala.
Prije nekoliko godina, tim istraživača iz Skoltecha otkrio je da se grafen oksid može zagrijati na 3300-3800 K, čak i pod atmosferskim uvjetima, kako bi se proizveo grafen prilično visoke kvalitete.
Nikita Orekhov je rekao: "Ovaj je rezultat iznenadio naše kolege: temperatura je bila vrlo visoka, ali su dobili dobro strukturiran materijal. Ugljični materijali lako izgaraju u atmosferskom kisiku na 600-800 K ili višoj, dok su u eksperimentima na višim temperaturama, grafen postiže dobra strukturna svojstva." Nikita Orekhov, pomoćnik ravnatelja Laboratorija za superračunalne metode fizike kondenzirane tvari MIT-a, rekao je: "Kako bismo otkrili uzrok ovog neočekivanog učinka, odlučili smo proučiti proces redukcije visokotemperaturnog grafen oksida koristeći atomske modele superračunala i provesti dodatne studije koje slijede eksperimentalni dizajn naših kolega."
Pod djelovanjem laserskog pulsa, crveno označeni atomi ugljika na granici grafenske ploče "izgaraju". B - U središnjem području grafenske ploče dolazi do žarenja: grafen je raspoređen u pravilnu stabilnu strukturu.
Istraživači su otkrili da, s jedne strane, na visokim temperaturama (T> 3000k) atomi kisika u plinskom okruženju stupaju u interakciju s grafenom, oksidiraju ga i uništavaju. S druge strane, brzo žarenje kristalne rešetke počinje na istoj temperaturi, što omogućuje uklanjanje nedostataka. Tijekom žarenja, struktura rešetke se ispravlja, a ne raspada.
Krivulje omjera temperature i I(G)/I(D) rGO niza smanjuju se pri različitim brzinama lasera i brzinama ponavljanja impulsa.
"Ispostavilo se da se dva suprotna procesa odvijaju istovremeno na različitim mjestima materijala izloženog laserskim impulsima: izgaranje ili uništenje koncentrirano je blizu defekata i granica grafenskih ploča, gdje atomi ugljika imaju najaktivniju kemijsku aktivnost, dok se žare javlja se prvenstveno u središtu ploča, gdje se atomi teže vratiti u stabilnu konfiguraciju." Stanislav Evlashin, glavni istraživač u Skoltechovom Centru za tehnologiju materijala (CMT).
Nalazi bacaju svjetlo na to kako se grafen oksid ponaša na ekstremnim temperaturama, gdje su izravni eksperimenti gotovo nemogući. Razumijevanje procesa opisanog u ovom radu može pomoći u daljnjem razvoju i optimiziranju metoda za dobivanje grafena visoke kvalitete monokristala velike površine.
Struktura atoma (a) i shema toplinskog stanja (b) GO. Vremenska evolucija ukupnog atomskog broja (c), atomskog broja ugljika (d) i atomskog broja kisika (e) tijekom simulacije na različitim temperaturama. Atomi ugljika, kisika i vodika prikazani su plavom, crvenom i sivom bojom.
Izvor: Mehanizam laserske redukcije grafen oksida u uvjetima okoline: Eksperimentalna i ReaxFF studija, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018;Kontrolirana laserska redukcija filmova od grafen oksida za fotoelektroničke primjene, ACSA primijenjeni materijali i sučelja (2016.). DOI:10.1021/acsami.6b10145