Micrografie ottiche che mostrano la transizione del GIC di stadio 2 allo stadio 1 di HOPG GIC. Luce riflessa. Le aree dello stadio 2 sono bianco-verdastre. Le aree della fase 1 sono blu. Le aree di colore rosso sono la fase mista. Nota, la tinta verdastra della superficie della grafite sui pannelli (a, b) è l'artefatto dell'elaborazione digitale; il colore reale è quasi bianco. La caratteristica informe bianca a destra delle micrografie è una bolla d'aria. Acquisito con il campione SPI-3 HOPG. Credito:Università Federale di Kazan
Nel 2012-2013, una collaborazione di ricerca internazionale ha scoperto un fenomeno che potrebbe essere osservato tramite microscopio ottico durante le transizioni di fase nei composti di intercalazione della grafite. Ci sono voluti sei anni di ulteriori ricerche al leader del team, il dott. Ayrat M. Dimiev, compresi ulteriori esperimenti presso l'Università Federale di Kazan, comprendere appieno le forze trainanti dei fenomeni osservati.
Gli esperimenti sono stati condotti con la partecipazione del Ph.D. laureata Ksenia Shukhina. Un importante passo avanti è venuto dall'uso della mappatura Raman ultraveloce della superficie della grafite durante le transizioni di fase. Il giornale congiunto russo-americano è apparso su The Journal of Physical Chemistry C .
I composti di intercalazione della grafite (GIC) sono formati dall'inserimento di alcune specie atomiche e molecolari tra gli strati di grafene di grafite. I composti risultanti possiedono una gamma di proprietà uniche, che non sono specifici per i materiali principali. Tra le proprietà più intriganti del GIC c'è la sua superconduttività, una scoperta che ha suscitato molto interesse. A seconda del potenziale elettrochimico dell'intercalante e della rispettiva carica sugli strati di grafene, la grafite forma strutture dove uno, due o più strati di grafene sono inseriti tra i due strati di intercalante. I composti risultanti sono indicati come stadio-1, Fase 2, e GIC di fase 3, rispettivamente. Nonostante la ricerca intensa e di lunga durata sui GIC, il meccanismo delle transizioni di stadio rimane oscuro.
In questo studio, autori hanno utilizzato la microscopia ottica e Raman per eseguire direttamente, monitoraggio in tempo reale dei passaggi di fase in H 2 COSÌ 4 -GIC in grafite pirolitica altamente orientata (HOPG). Hanno osservato che le transizioni di fase nel GIC a base di HOPG si verificano in modo molto diverso da quelli nel GIC realizzato con la grafite in scaglie naturale. Durante la transizione dalla fase 2 alla fase 1, la formazione della fase 2 inizia quasi contemporaneamente sull'intera superficie di grafite esposta ai media.
Ciò è stato attribuito al movimento delle piccole porzioni intercalanti verso i punti di attrazione, così crescendo isole continue. Però, durante il processo inverso, la transizione dallo stadio 1 allo stadio 2 inizia rigorosamente dai bordi del campione di grafite e si propaga verso il suo centro. L'osservazione più sorprendente è stata che il fronte di deiintercalazione era discontinuo; vale a dire, i domini selezionati di dimensioni micrometriche della superficie di grafite si deiintercalano preferenzialmente per rilasciare la deformazione che era stata indotta dall'intercalazione. Le dinamiche intercalanti nelle gallerie di grafite 2-D, che avviene alla velocità di> 240 m/s, ha una cinetica veloce. Il processo di intercalazione iniziale è diverso dal resto dei cicli di reintercalazione. La differenza nei meccanismi delle transizioni di stadio nei GIC a base di grafite a scaglie naturali e nei GIC a base di HOPG esemplifica il ruolo della struttura della grafite per la dinamica intercalante nelle gallerie di grafite 2-D.
I risultati ottenuti in questo studio fanno avanzare il campo del grafene e hanno diverse potenziali applicazioni. I GIC possono essere considerati come pile di grafene drogato, che può essere facilmente preparato mediante reazioni completamente reversibili; il livello di drogaggio può essere facilmente controllato dalle condizioni di reazione. In secondo luogo, l'intercalazione indebolisce le forze adesive tra gli strati di grafene adiacenti. Così, I GIC fungono da precursori per ottenere grafene a strato singolo e nanopiastrine di grafene tramite esfoliazione in fase liquida. Terzo, I GIC fungono da intermedi importanti e inevitabili lungo il percorso verso la funzionalizzazione covalente del grafene a causa della condizione di carica degli atomi di carbonio. Infine e soprattutto, Il funzionamento della batteria agli ioni di litio si basa sull'intercalazione-deintercalazione ciclica degli ioni di litio con la grafite. Comprendere il meccanismo di transizione della fase aiuterà a far avanzare tutte queste applicazioni.
Il caposquadra Ayrat Dimiev conclude, "Le transizioni di fase studiate in H 2 COSÌ 4 -GIC sono accompagnati dal trasferimento di protoni da e verso l'acido solforico intercalato che avviene dal meccanismo di Grotthuss, cioè è ultraveloce e 'senza attrito." Stiamo pensando di verificare se questo è vero. Se sì, questi sistemi possono essere utilizzati come conduttori di protoni nelle celle a combustibile a idrogeno. Un'altra direzione sta sviluppando una procedura efficiente e ad alto rendimento per l'esfoliazione in fase liquida della grafite in grafene monostrato".
