Графен теперь можно получить в любой лаборатории

Будучи одним из самых многообещающих материалов будущего, графен все еще остается дорогостоящим и трудным для производства веществом. Исследователи из Института физической химии при польской Академии наук (Варшава) и сотрудники Института междисциплинарных исследований (Лилль, Франция) разработали недорогой способ получения многослойных пластов графена. Новая методика не требует использования специализированного оборудования и может применяться в любой лаборатории.

Экономичный способ производства пластов графена был разработан в рамках исследовательского проекта, проводимого при сотрудничестве групп ученых из Института физической химии при польской Академии наук и Института междисциплинарных исследований. Разработанная технология достаточно проста, чтобы ее можно было использовать практически в любой лаборатории мира.

Графен был открыт в 2004 году путем отделения слоев углерода от графита при помощи обычного скотча. «То, что осталось на скотче, представляло собой пласт углерода толщиной в один атом. Если мы планируем использовать графен в промышленных масштабах, нужно найти управляемый способ его получения в больших количествах, который не требует применения дорогого специализированного оборудования», - отмечает Изабела Каминска, аспирантка Института физической химии, стипендиат Фонда польской науки. Каминска проводила свои эксперименты в Международном исследовательском институте.

По структуре графен – это двухмерная система, состоящая из шестичленных углеродных колец. Шестиугольная решетка графена напоминает пчелиные соты. Отличие лишь в том, что пласт графена обладает минимальной возможной толщиной в один атом.

Необычные свойства графена тесно связаны с его уникальной структурой. Графен практически прозрачен, очень гибок и почти в 100 раз прочнее, чем сталь. В то же время он обладает превосходными термической и электрической проводимостью, что делает его исключительно подходящим материалом для производства электроники – например, для производства тонких, упругих и крепких дисплеев или схем для быстрой обработки информации. Веществотакжеможноиспользоватьпривыпускеразличныхчувствительныхэлементов.

Существующие методы получения графена – включая отложение эпитаксиального слоя на металлическом субстрате или карбиде кремния, а также химическое или физическое осаждение испарений – требуют использования дорогостоящего специализированного оборудования и сложных производственных процедур. Между тем, единственным сложным прибором для применения новой технологии является ультразвуковой очиститель – устройство, имеющееся в большинстве лабораторий.

Новая процедура получения пластов графена начинается с графита – одной из аллотропных модификаций углерода, которая на молекулярном уровне напоминает многослойный бутерброд. Эти слои очень трудно разъединить. Чтобы добиться этого, графит должен быть оксидирован, что обычно осуществляется при помощи метода Хаммерса.

Таким путем образуется порошок – оксид графена. Взвешенный в воде, он помещается в ультразвуковой очиститель. Ультразвуковые волны отделяют окисленные пласты графена друг от друга, и полученный коллоидный раствор содержит уже не порошок, а хлопья оксида графена диаметром около 300 нанометров.  

Исследователи из Института физической химии при польской Академии науки сотрудники Института междисциплинарных исследований использовали оксид графена, полученный в Подразделении материаловедения при Северо-восточном институте науки и технологии в городе Диспур (Индия). «Коллоидный раствор, содержащий оксид графена толщиной в один атом, стал отличной основой – проблему представляли многочисленные функциональные группы, содержащие кислород. Основная трудность заключалась в том, что они коренным образом меняли физико-химические свойства материала. Вместо превосходного проводника мы получали … диэлектрик», - объясняет Каминска.

Чтобы удалить кислород из хлопьев графена, ученые решили использовать нековалентное ароматическое взаимодействиеπ-π между углеродными кольцами окиси графена и ароматическими кольцами вещества под названием тетратиафульвален. Молекула тетратиафульвалена состоит из двух колец, содержащих три атома углерода и два атома серы каждое.

«Достаточно было смешать оксид графена с тетратиафульваленом, а потом поместить полученную смесь в ультразвуковой очиститель. Взаимодействие между кольцами тетратиафульвалена и окиси графена привели к преобразованию оксида графена в просто графен и оксидированию молекул тетратиафульвалена», - объясняет Изабела Каминска.

В результате полученная смесь содержала хлопья графена с добавленными к ним молекулами тетратиафульвалена. Далее капля раствора осаждалась на электроде и высыхала. Хлопья графена образовывали на поверхности ровное покрытие с контролируемой толщиной от 100 до 500 нанометров. Покрытие состояло из нескольких десятков или сотен чередующихся слоев графена и молекул тетратиафульвалена.

Заключительным этапом производства графенового покрытия стало извлечение молекул тетратиафульвалена, осуществленное с помощью простой химической реакции при использовании специально подобранного вещества.

 «Одним из мотивов проведения данного исследования стало желание разработать новые методы обнаружения биологических веществ. Именно поэтому после удаления тетратиафульвалена из графенового покрытия мы немедленно проверили, сможем ли повторно включить вещество в процесс. Оказалось, да. Поэтому возможно разработать процесс, позволяющий связать выбранное вещество с молекулой тетратиафульвалена, а потом инкорпорировать весь комплекс в пласт графена на электроде и управлять движением электрического тока», - подытоживает профессор Мартин Опалло из  Института физической химии.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром                       

http://www.nanodaily.com/reports/Graphene_From_any_lab_999.html