Grafene, un reticolo bidimensionale di atomi di carbonio, ha suscitato un enorme interesse da un'ampia base della comunità di ricerca per più di un decennio. Nanonastri di grafene (GNR), sottili strisce di grafene quasi unidimensionale, possiedono caratteristiche complementari rispetto alla loro controparte bidimensionale dei fogli di grafene. Sulla base di calcoli teorici, le proprietà elettriche dei GNR possono essere controllate dalla larghezza e dalla configurazione del bordo, e possono variare da metallici a semiconduttori.

Le proprietà fisiche dei GNR dipendono in modo significativo dalla dimensione e dal numero di strati, che a loro volta dipendono dal loro metodo di sintesi. Esistono tre approcci principali per la sintesi dei GNR:taglio del grafene tramite tecniche litografiche, sintesi dal basso verso l'alto da molecole policicliche, e decompressione di nanotubi di carbonio (CNT). Mentre il metodo bottom-up fornisce un percorso per un controllo preciso dei bordi, e il metodo litografico può permettersi GNR con posizionamento preciso, il metodo di decompressione offre il vantaggio della produzione di massa.

I metodi di decompressione MWCNT possono essere classificati in quattro tipi principali:l'approccio riduttivo assistito da intercalazione, decompressione ossidativa, decompressione elettrochimica, e un quarto gruppo misto di metodi. Il primo approccio si basa sulla ben nota capacità dei metalli alcalini di intercalare la grafite con espansione nella direzione dell'asse Z. Tale espansione reticolare induce sollecitazioni estreme all'interno delle pareti concentriche, con conseguente scoppio, o apertura longitudinale, dei tubi. I GNR risultanti sono altamente conduttivi, ma rimangono multistrato e foliato. A causa dell'attrazione tra le superfici, non esfoliano a nastri a strato singolo.

L'approccio ossidativo prevede il trattamento di MWCNT in mezzi ossidativi acidi con la formulazione quasi identica a quella utilizzata nella produzione di ossido di grafene (GO) dalla grafite con il metodo Hummers. Il prodotto risultante sono nanonastri di ossido di grafene (GONR). A differenza dei GNR ottenuti con il metodo dell'intercalazione riduttiva, I GONR si esfoliano facilmente in soluzione acquosa, e possono essere ottenuti come strutture monostrato. Un meccanismo di reazione per la decompressione ossidativa è stato proposto da Kosynkin et al.

Invocando la classica ossidazione degli alcheni da permanganato negli acidi, il primo passo è la formazione dell'estere di manganato su un legame C-C, e il secondo passo è la rottura del legame C-C con formazione di chetoni ai bordi appena formati. Questo meccanismo è stato ulteriormente sviluppato nel lavoro teorico di Rangel et al. La sintesi originale ha generato numerosi studi sulla decompressione ossidativa dei MWCNT. In molti rapporti, il processo di decompressione è stato indicato come "chimico" in contrasto con l'"intercalazione-esfoliazione, " indicando che il meccanismo ossidativo indotto dal permanganato è stato comunemente accettato, ed è stato persino suggerito di decomprimere SWCNT.

Il nuovo meccanismo proposto si basava sull'esperienza del laboratorio con il meccanismo di formazione della grafite GO, che prevede tre passaggi consecutivi:(a) intercalazione della grafite da parte dell'acido solforico con formazione di uno stadio-1 H ₂ COSÌ ₄ -composto di intercalazione della grafite (GIC); (b) conversione dello stadio-1 H ₂ COSÌ ₄ -GIC in GO incontaminato, e (c) esfoliazione del GO su fogli a strato singolo in seguito all'esposizione all'acqua.

Così, a determinate condizioni, la formazione del primo stadio H ₂ COSÌ ₄ -GIC è inevitabile per qualsiasi materiale grafitico. Successivamente, il meccanismo di decompressione ossidativa dei MWCNT potrebbe anche essere guidato dall'intercalazione. Se questo è corretto, i ricercatori dovrebbero essere in grado di fermare la reazione dopo la prima fase di intercalazione-decompressione prima che proceda la seconda fase di ossidazione. Se raggiunto, ciò consentirà prodotti decompressi ma non ossidati o minimamente ossidati che possiedono proprietà simili ai GNR decompressi in modo riduttivo ottenuti per intercalazione di potassio o sodio-potassio. In questo lavoro, il laboratorio ha studiato l'impatto dei due parametri chiave, il KMnO ₄ rapporto /MWCNT, e il tempo di reazione sulla struttura e composizione dei prodotti GNR così come ottenuti, e derivato una comprensione rivista e più completa del processo di decompressione.

I ricercatori hanno dimostrato che il meccanismo della decompressione ossidativa dei MWCNT è effettivamente guidato dall'intercalazione. Il processo di decompressione complessivo prevede gli stessi tre passaggi del corso della produzione di GO dalla grafite con i metodi Hummers e Hummers modificati:intercalazione, ossidazione ed esfoliazione. Con MWCNT, l'intercalazione è associata alla decompressione simultanea. A basso KMnO ₄ rapporti /MWCNT, è possibile ottenere GNR con caratteristiche simili a quelle prodotte dalla decompressione riduttiva. 0,12 peso equiv KMnO ₄ è il rapporto di soglia sufficiente per la decompressione quasi completa, con solo piccole quantità di ossidazione covalente. Controllo del KMnO ₄ Il rapporto /MWCNT e il tempo di reazione consentono di produrre GNR con proprietà che variano in un ampio intervallo continuo da GNR grafenici multistrato a GONR a strato singolo. Così, il team ha risposto a diverse domande rimaste aperte nel campo della decompressione dei MWCNT, come il motivo per cui le pareti più interne dei nanotubi rimangono chiuse. Il meccanismo di reazione guidato dall'intercalazione fornisce una motivazione per l'impossibilità di decomprimere CNT a parete singola e a parete ridotta, e aiuta a rivalutare i dati del processo di decompressione ossidativa.