Tanią metodę chemicznego wytwarzania warstw grafenowych opracowały w
ramach wspólnego projektu zespoły z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej
Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie i Institut de Recherche
Interdisciplinaire w Lille. Metoda jest tak prosta w realizacji, że może
być przeprowadzona w niemal każdym laboratorium.
Grafen odkryto w 2004 roku, zdzierając warstwy węgla z grafitu za pomocą
zwykłej taśmy klejącej. „W tym, co zostało zdarte, można było znaleźć
powłoki grubości jednego atomu, czyli właśnie grafen. Jeśli jednak
chcemy myśleć o przemysłowych zastosowaniach grafenu, musimy znaleźć
lepiej kontrolowane sposoby wytwarzania go w dużych ilościach – i to bez
konieczności używania drogiej, specjalistycznej aparatury”, mówi
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.
Pod względem struktury, grafen jest dwuwymiarową powierzchnią zbudowaną z
sześciowęglowych pierścieni. Budową przypomina więc plaster miodu, z tą
różnicą, że powierzchnia grafenowa ma najmniejszą grubość z możliwych:
zaledwie jednego atomu.
Z unikatową strukturą grafenu wiążą się jego niezwykłe właściwości.
Grafen jest niemal całkowicie przezroczysty, ponadstukrotnie
wytrzymalszy od stali i bardzo elastyczny. Jednocześnie wykazuje świetne
przewodnictwo cieplne i elektryczne, jest więc dobrym materiałem do
zastosowań w elektronice, np. do wytwarzania cienkich, elastycznych i
wytrzymałych wyświetlaczy lub szybkich układów przetwarzających. Nadaje
się też jako materiał do różnego typu biosensorów.
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. Dzięki ultradźwiękom
poszczególne, utlenione płaszczyzny grafenowe się rozdzielają. 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 Kamińska.
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 znajdował 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.
„Jedną z motywacji do badań było poszukiwanie nowych metod detekcji
substancji biologicznych. Dlatego po wyeliminowaniu TTF z powłoki
grafenowej natychmiast sprawdziliśmy, czy możemy ten związek wprowadzić
do niej z powrotem. Okazało się, że tak. Zatem jest możliwe opracowanie
procesu, który pozwoli związać wybrany związek chemiczny z cząsteczką
TTF, następnie wprowadzić cały kompleks do warstwy grafenowej na
elektrodzie i zaobserwować zmiany w przepływie prądu”, podsumowuje prof.
dr hab. Marcin Opałło (IChF PAN).
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).
poleca:
