Grafene con difetti. Crediti:Daria Sokol/Ufficio Stampa MIPT
Gli scienziati russi hanno scoperto perché, invece di bruciare semplicemente ad alte temperature, l'ossido di grafene apre le porte a un metodo di produzione di grafene promettente ed economico. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Carbon .
È passato più di un decennio da quando il Premio Nobel è stato assegnato alla ricerca sperimentale sul grafene, ma gli scienziati non hanno ancora trovato un modo per ottenere grafene di alta qualità ad ampia area, che sarebbe economico, efficiente e scalabile per le esigenze industriali. La riduzione del grafene dall'ossido di grafene mediante irradiazione laser appare come una strada promettente:con l'ossido di grafene prodotto dalla grafite ordinaria utilizzando metodi chimici, la tecnica di riduzione assistita dal laser è molto promettente in termini di costi e controllabilità della qualità del materiale risultante.
Alcuni anni fa, un gruppo di ricercatori Skoltech ha scoperto che riscaldare l'ossido di grafene a 3300-3800 K, anche in condizioni atmosferiche, può produrre grafene di qualità piuttosto elevata.
"Il risultato è stato una grande sorpresa per i nostri colleghi:la temperatura era molto alta, ma hanno ottenuto materiale ben strutturato. I materiali di carbonio bruciano prontamente nell'ossigeno atmosferico a 600-800 K o superiore, mentre nell'esperimento a temperature molto più elevate il grafene acquisito buone proprietà strutturali", ha affermato Nikita Orekhov, vice capo del MIPT Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics. "Per capire il motivo di questo effetto inaspettato, abbiamo deciso di studiare il processo di riduzione dell'ossido di grafene ad alta temperatura utilizzando la modellazione atomistica del supercomputer ed eseguire ulteriori ricerche sulla base del progetto sperimentale dei nostri colleghi."
a - gli atomi di carbonio contrassegnati in rosso ai confini dei fogli di grafene "bruciano" sotto impulsi laser. b - nelle regioni centrali dei fogli di grafene, avviene la ricottura:il grafene si allinea nella corretta struttura stabile. Credito:ND Orekhov et al.
I ricercatori hanno scoperto che, da un lato, a temperature elevate (T> 3000 K) gli atomi di ossigeno dell'ambiente gassoso interagiscono intensamente con il grafene, ossidandolo e distruggendolo. D'altra parte, alle stesse temperature inizia la ricottura veloce del reticolo cristallino, che consente di eliminare i difetti. Durante la ricottura, la struttura reticolare si raddrizza invece di sfaldarsi.
"Si scopre che due processi opposti si verificano contemporaneamente in luoghi diversi all'interno di un materiale esposto a impulsi laser:la combustione, o distruzione, è localizzata vicino ai difetti e ai confini dei fogli di grafene dove gli atomi di carbonio sono i chimicamente più attivi, mentre la ricottura avviene principalmente in il centro del foglio in cui gli atomi preferiscono stabilizzarsi in una configurazione stabile", ha affermato Stanislav Evlashin, ricercatore leader presso lo Skoltech Center for Materials Technologies (CMT).
The findings shed light on the behavior of graphene oxide at extreme temperatures, where straightforward experiments are hardly possible. Understanding the processes described in the paper can help further develop and optimize the methods for obtaining high-quality graphene with large-area monocrystals. + Esplora ulteriormente
