I materiali bidimensionali a base di grafene sono recentemente emersi al centro dell'esplorazione scientifica grazie alle loro eccezionali proprietà strutturali, meccaniche, elettriche, ottiche e termiche. Tra questi, i nanofogli a base di ossido di grafene (GO), un derivato ossidato del grafene, con dimensioni ultrasottili ed extra larghe e superfici ricche di ossigeno sono piuttosto promettenti.
I gruppi funzionali contenenti ossigeno, come i gruppi carbossilici e idrossilici acidi, generano cariche negative dense, rendendo i nanofogli GO colloidalmente stabili in acqua. Di conseguenza, costituiscono preziosi elementi costitutivi per materiali morbidi funzionali di prossima generazione.
In particolare, i nanofogli GO termoreattivi hanno raccolto molta attenzione per le loro applicazioni ad ampio raggio, dalle membrane e superfici intelligenti e sistemi riciclabili agli attuatori di idrogel e piattaforme biomediche. Tuttavia, le strategie sintetiche prevalenti per generare comportamenti termoreattivi comportano la modifica delle superfici dei nanofogli GO con polimeri termoreattivi come il poli (N -isopropilacrilammide). Questo processo è complesso e presenta potenziali limitazioni nei successivi sforzi di funzionalizzazione.
Per affrontare questa sfida, i ricercatori guidati dal professore assistente Koki Sano e dal signor Shoma Kondo del Dipartimento di Chimica e Materiali dell'Università di Shinshu in Giappone hanno recentemente presentato un approccio innovativo chiamato "ingegneria di contrasto" per conferire la capacità termoreattiva desiderata agli stessi nanofogli GO . Il loro lavoro è stato pubblicato in ACS Applied Materials &Interfaces .
Il dottor Sano spiega:"Questo studio introduce un percorso semplificato ed efficiente per ottenere la termoreattività sfruttando i controcationi (ioni caricati positivamente) intrinsecamente presenti nei nanofogli GO. Il controllo su questi controcationi offre un potente strumento per progettare nanomateriali sensibili agli stimoli." /P>
Nel loro studio, i ricercatori hanno stabilito un robusto protocollo sintetico che prevede una reazione in due fasi in acqua per sintetizzare nanofogli GO con controcationi specifici. Una reazione di scambio ha dapprima sostituito i controcationi dei gruppi carbossilici e idrossilici con protoni. Questa è stata seguita da una reazione acido-base utilizzando un anione idrossido con i controanioni target, ottenendo i desiderabili nanofogli GO.
Indagini sistematiche sul loro comportamento termoresponsivo hanno rivelato che i nanofogli GO che ospitano tetrabutilammonio (Bu4 N + ) i controcationi hanno mostrato una natura termoreattiva intrinseca in ambienti acquosi senza richiedere polimeri termoreattivi.
Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato una transizione sol-gel reversibile caratterizzata da processi di autoassemblaggio e disassemblaggio. Al riscaldamento, il lamellare Bu4 N + nanofogli GO a base di repulsione elettrostatica (stato di sol) tra loro riassemblati per formare invece una rete interconnessa dominata dall'attrazione di van der Waals (stato di gel).
Questa notevole transizione può, infatti, essere sfruttata per sviluppare un inchiostro per scrittura diretta per la costruzione di architetture di gel progettabili tridimensionalmente dei nanofogli GO, hanno sottolineato i ricercatori.
Nel complesso, i risultati dello studio hanno profonde implicazioni. "La sintesi controllata di nanofogli GO con controcationi su misura ha svelato un percorso verso materiali termoreattivi versatili e semplificati. I nanofogli GO termoreattivi sono promettenti elementi costitutivi per applicazioni biomediche, energetiche e ambientali, come membrane intelligenti, robotica morbida e sistemi riciclabili, attuatori di idrogel e soluzioni biomediche", afferma il dottor Sano.
"Inoltre, la capacità di scrivere direttamente con le dispersioni di nanosheet GO offre una nuova dimensione alla progettazione dei materiali, consentendo la costruzione con facilità di complesse strutture di gel", conclude.
Ulteriori informazioni: Koki Sano et al, Ingegneria della controcatione di nanofogli di ossido di grafene per impartire un'abilità termoreattiva, Materiali e interfacce applicati ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c07820
Informazioni sul giornale: Materiali e interfacce applicati a ACS
Fornito dall'Università di Shinshu
