Un nuovo studio mostra che la disponibilità di idrogeno gioca un ruolo significativo nel determinare la composizione chimica e strutturale dell'ossido di grafene, un materiale che ha potenziali usi nella nanoelettronica, sistemi nanoelettromeccanici, rilevamento, compositi, ottica, catalisi e accumulo di energia.

Lo studio ha anche scoperto che dopo che il materiale è stato prodotto, le sue proprietà strutturali e chimiche continuano ad evolversi per più di un mese a seguito di continue reazioni chimiche con l'idrogeno.

Comprendere le proprietà dell'ossido di grafene e come controllarle è importante per realizzare potenziali applicazioni per il materiale. Per renderlo utile per la nanoelettronica, ad esempio, i ricercatori devono indurre sia un band gap elettronico che un ordine strutturale nel materiale. Il controllo della quantità di idrogeno nell'ossido di grafene può essere la chiave per manipolare le proprietà del materiale.

"L'ossido di grafene è un materiale molto interessante perché la sua meccanica, le proprietà ottiche ed elettroniche possono essere controllate mediante trattamenti termici o chimici per alterarne la struttura, " disse Elisa Riedo, professore associato presso la School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Ma prima di poter ottenere le proprietà che vogliamo, dobbiamo capire i fattori che controllano la struttura del materiale. Questo studio fornisce informazioni sul ruolo dell'idrogeno nella riduzione dell'ossido di grafene a temperatura ambiente".

La ricerca, che ha studiato l'ossido di grafene prodotto dal grafene epitassiale, è stato riportato il 6 maggio sulla rivista Materiali della natura . La ricerca è stata sponsorizzata dalla National Science Foundation, il Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) presso la Georgia Tech, e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

L'ossido di grafene si forma attraverso l'uso di processi chimici e termici che aggiungono principalmente due gruppi funzionali contenenti ossigeno al reticolo di atomi di carbonio che compongono il grafene:le specie epossidiche e idrossiliche. I ricercatori della Georgia Tech hanno iniziato i loro studi con grafene epitassiale multistrato cresciuto su un wafer di carburo di silicio, una tecnica sperimentata da Walt de Heer e dal suo gruppo di ricerca presso la Georgia Tech. I loro campioni includevano una media di dieci strati di grafene.

Dopo aver ossidato i film sottili di grafene utilizzando il metodo Hummers consolidato, i ricercatori hanno esaminato i loro campioni utilizzando la spettroscopia di fotoemissione a raggi X (XPS). In circa 35 giorni, hanno notato che il numero di gruppi funzionali epossidici diminuisce mentre il numero di gruppi ossidrili aumenta leggermente. Dopo circa tre mesi, il rapporto dei due gruppi finalmente raggiunse l'equilibrio.

"Abbiamo scoperto che il materiale cambiava da solo a temperatura ambiente senza alcuna stimolazione esterna, " ha detto Suenne Kim, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Riedo. "Il grado di instabilità a temperatura ambiente è stato sorprendente."

Curioso di sapere cosa potrebbe causare i cambiamenti, Riedo e Kim presero le misure ad Angelo Bongiorno, un assistente professore che studia chimica dei materiali computazionali alla School of Chemistry and Biochemistry della Georgia Tech. Bongiorno e il dottorando Si Zhou hanno studiato i cambiamenti usando la teoria del funzionale della densità, che ha suggerito che l'idrogeno potrebbe combinarsi con l'ossigeno nei gruppi funzionali per formare l'acqua. Ciò favorirebbe una riduzione dei gruppi epossidici, che è ciò che Riedo e Kim stavano vedendo sperimentalmente.

"Il gruppo di Elisa stava facendo misurazioni sperimentali, mentre facevamo calcoli teorici, " ha detto Bongiorno. "Abbiamo unito le nostre informazioni per elaborare l'idea che forse c'era l'idrogeno coinvolto".

I sospetti sono stati confermati sperimentalmente, sia dal gruppo Georgia Tech che da un gruppo di ricerca dell'Università del Texas a Dallas. Queste informazioni sul ruolo dell'idrogeno nel determinare la struttura dell'ossido di grafene suggeriscono un nuovo modo per controllarne le proprietà, ha osservato Bongiorno.

"Durante la sintesi del materiale, potremmo potenzialmente usarlo come strumento per cambiare la struttura, " ha detto. "Capendo come usare l'idrogeno, potremmo aggiungerlo o toglierlo, permettendoci di regolare la distribuzione relativa e la concentrazione delle specie epossidiche e ossidriliche che controllano le proprietà del materiale".

Riedo e Bongiorno riconoscono che il loro materiale, a base di grafene epitassiale, potrebbe essere diverso dall'ossido prodotto dal grafene esfoliato. La produzione di ossido di grafene dalle scaglie del materiale comporta un'ulteriore elaborazione, compresa la dissoluzione in una soluzione acquosa e quindi il filtraggio e il deposito del materiale su un substrato. Ma credono che l'idrogeno svolga un ruolo simile nel determinare le proprietà dell'ossido di grafene esfoliato.

"Probabilmente abbiamo una nuova forma di ossido di grafene, uno che può essere più utile commercialmente, sebbene gli stessi processi dovrebbero avvenire anche nell'altra forma di ossido di grafene, " disse Bongiorno.

I prossimi passi sono capire come controllare la quantità di idrogeno nell'ossido di grafene epitassiale, e quali condizioni possono essere necessarie per influenzare le reazioni con i due gruppi funzionali. In definitiva, che può fornire un modo per aprire una banda proibita elettronica e contemporaneamente ottenere un materiale a base di grafene con caratteristiche di trasporto degli elettroni paragonabili a quelle del grafene originario.

"Controllando le proprietà dell'ossido di grafene attraverso questa riduzione chimica e termica, possiamo arrivare a un materiale che rimane abbastanza vicino al grafene nella struttura per mantenere l'ordine necessario per le eccellenti proprietà elettroniche, pur avendo il band gap necessario per creare transistor, " ha detto Riedo. "Potrebbe essere che l'ossido di grafene è il modo per arrivare a quel tipo di materiale".