Grafen wytwarzany w każdym laboratorium

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN oraz Institut de Recherche Interdisciplinaire w Lille opracowali tanią metodę wytwarzania wielowarstwowych pokryć grafenowych. Metoda ta nie wymaga użycia specjalistycznej aparatury i może zostać zrealizowana praktycznie w każdym laboratorium - poinformowano w informacji prasowej IChF PAN.

Dotychczasowe metody wytwarzania grafenu – takie jak osadzanie warstwy epitaksjalnej na podłożu metalicznym lub węgliku krzemu, bądź chemiczne lub fizyczne osadzanie z fazy gazowej – wymagają drogiego, specjalistycznego sprzętu i złożonych procedur produkcji. Tymczasem jedyną nieco bardziej złożoną aparaturą, używaną w metodzie wytwarzania pokryć grafenowych z IChF PAN i IRI, jest płuczka ultradźwiękowa, sprzęt dość powszechny w laboratoriach.

Nowy proces wytwarzania warstw grafenowych zaczyna się od grafitu, alotropowej odmiany węgla, która na poziomie molekularnym przypomina kanapkę z wielu płaszczyzn grafenowych. Płachty te są trudne do rozseparowania. Aby osłabić oddziaływania między nimi, grafit należy utlenić, co przeprowadza się z wykorzystaniem metody Hummersa. Otrzymany w ten sposób proszek – tlenek grafitu – jest następnie wsypywany do wody i umieszczany w płuczce ultradźwiękowej. Za pomocą ultradźwięków poszczególne utlenione płaszczyzny grafenowe zostają rozdzielone. Efektem jest koloid zawierający pojedyncze płatki tlenku grafenu średnicy ok. 300 nanometrów.

W swoich badaniach naukowcy z IChF PAN i IRI wykorzystywali tlenek grafenu wyprodukowany w Materials Science Division w North East Institute of Science and Technology (NEIST) w indyjskim mieście Dispur. „Jednoatomowej grubości płatki tlenku grafenu to dobry punkt startowy, ale problemem są liczne grupy funkcyjne zawierające tlen. Rzecz w tym, że dramatycznie zmieniają one własności fizyko-chemiczne materiału. Zamiast doskonałego przewodnika mamy... izolator", wyjaśnia doktorantka Izabela Kamińska z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, stypendystka Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Projekty Doktoranckie. Kamińska przeprowadzała swoje doświadczenia w Institut de Recherche Interdisciplinaire (IRI) w Lille.

Aby usunąć tlen z płatków tlenku grafenu, badacze z IChF PAN i IRI postanowili wykorzystać niekowalencyjne oddziaływania pi-pi pojawiające się między pierścieniami węglowymi w tlenku grafenu a aromatycznymi pierścieniami związku nazywanego tetratiafulwalenem (TTF). Cząsteczka TTF składa się z dwóch pierścieni zawierających po trzy atomy węgla i dwa atomy siarki. „W praktyce wystarczyło wymieszać tlenek grafenu i tetratiafulwalen, a następnie włożyć całość do płuczki ultradźwiękowej. Dzięki oddziaływaniom między pierścieniami TTF i pierścieniami tlenku grafenu następuje redukcja tlenku grafenu do grafenu przy jednoczesnym utlenieniu cząsteczek TTF", opisuje Kamińska.

W wyniku tego procesu, w koloidzie wyjmowanym z płuczki znajduje się trwały kompozyt składający się z płatków grafenu z dołączonymi cząsteczkami TTF. Krople koloidu były następnie nanoszone na elektrodę i osuszane. Płatki grafenowe osadzały się na elektrodzie i formowały na niej gładką powłokę o kontrolowanej grubości, od 100 do 500 nanometrów, złożoną z od kilkudziesięciu do kilkuset naprzemiennych warstw grafenu i cząsteczek TTF. Ostatnim etapem wytwarzania powłoki grafenowej było usunięcie z niej cząsteczek tetratiafulwalenu, co osiągnięto na drodze prostej reakcji chemicznej z odpowiednio dobranym związkiem.

Publikacja opisująca nową metodę ukazała się na początku roku w prestiżowym czasopiśmie „Chemical Communications", na którego okładce umieszczono komputerową wizualizację pokryć grafenowych z TTF. Obecnie naukowcy z IChF PAN i IRI pracują nad dalszym zredukowaniem grubości powłok grafenowych. Dobiegają też końca eksperymenty wykazujące, że możliwe jest wprowadzenie do powłoki grafenowej cząsteczek TTF z dowiązaną mannozą (jednym z cukrów prostych).

(pj)