O grafeno é cada vez mais atraente para os pesquisadores. Se em 2007 havia 797 artigos dedicados ao grafeno, então nos primeiros 8 meses de 2008 já havia 801 publicações. Quais são os estudos e descobertas recentes mais significativos no campo das estruturas e tecnologias do grafeno?

Até hoje, o grafeno (Fig. 1) é o material mais fino conhecido pela humanidade, com apenas um átomo de carbono de espessura. Ele entrou nos livros didáticos de física e na nossa realidade em 2004, quando pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Game e Konstantin Novoselov, conseguiram obtê-lo usando fita adesiva comum para separar sequencialmente camadas do grafite cristalino comum, familiar para nós na forma de um lápis haste (ver . Apêndice). Notavelmente, uma folha de grafeno colocada em um substrato de silício oxidado pode ser vista com um bom microscópio óptico. E isso apesar de sua espessura de apenas alguns angstroms (1Å = 10 -10 m)!

A popularidade do grafeno entre pesquisadores e engenheiros está crescendo dia a dia, pois possui extraordinárias propriedades ópticas, elétricas, mecânicas e térmicas. Muitos especialistas prevêem uma possível substituição dos transistores de silício por transistores de grafeno mais econômicos e de alta velocidade em um futuro próximo (Fig. 2).

Apesar do peeling mecânico com fita adesiva possibilitar a obtenção de camadas de grafeno de alta qualidade para pesquisa básica, e o método epitaxial de cultivo de grafeno pode fornecer o caminho mais curto para microcircuitos eletrônicos, os químicos estão tentando obter grafeno da solução. Além de baixo custo e alta produtividade, esse método abre as portas para muitas técnicas químicas amplamente utilizadas que permitiriam que camadas de grafeno fossem incorporadas em várias nanoestruturas ou integradas a vários materiais para criar nanocompósitos. No entanto, ao obter grafeno por métodos químicos, existem algumas dificuldades que devem ser superadas: primeiro, é necessário conseguir a separação completa do grafite colocado em uma solução; em segundo lugar, para garantir que o grafeno esfoliado na solução mantenha a forma da folha e não enrole e grude.

Outro dia em uma revista de prestígio Natureza Dois trabalhos de grupos científicos independentes foram publicados nos quais os autores conseguiram superar as dificuldades acima e obter folhas de grafeno de boa qualidade suspensas em solução.

O primeiro grupo de cientistas - da Universidade de Stanford (Califórnia, EUA) e (China) - introduziu ácidos sulfúrico e nítrico entre camadas de grafite (um processo de intercalação; veja Composto de intercalação de grafite), e depois aqueceu rapidamente a amostra a 1000°C ( Fig. 3a). A evaporação explosiva de moléculas intercalantes produz "flocos" de grafite finos (com alguns nanômetros de espessura) que contêm muitas camadas de grafeno. Em seguida, duas substâncias, oleum e hidróxido de tetrabutilamônio (HTBA), foram quimicamente introduzidas no espaço entre as camadas de grafeno (Fig. 3b). A solução sonicada continha folhas de grafite e grafeno (Fig. 3c). Depois disso, o grafeno foi separado por centrifugação (Fig. 3d).

Ao mesmo tempo, o segundo grupo de cientistas - de Dublin, Oxford e Cambridge - propôs uma técnica diferente para obter grafeno a partir de grafite multicamadas - sem o uso de intercalantes. O principal, segundo os autores do artigo, é usar os solventes orgânicos "corretos", como N-metil-pirrolidona. Para obter grafeno de alta qualidade, é importante escolher tais solventes de modo que a energia da interação superficial entre o solvente e o grafeno seja a mesma do sistema grafeno-grafeno. Na fig. 4 mostra os resultados da produção gradual de grafeno.

O sucesso de ambos os experimentos é baseado em encontrar os intercalantes e/ou solventes corretos. Claro, existem outras técnicas para produzir grafeno, como a conversão de grafite em óxido de grafite. Eles usam uma abordagem chamada "oxidação-delaminação-redução", na qual os planos basais de grafite são revestidos com grupos funcionais de oxigênio ligados covalentemente. Este grafite oxidado torna-se hidrofílico (ou simplesmente amante da umidade) e pode facilmente delaminar em folhas individuais de grafeno sob a ação do ultra-som enquanto em uma solução aquosa. O grafeno resultante tem excelentes características mecânicas e ópticas, mas sua condutividade elétrica é várias ordens de grandeza inferior à do grafeno obtido usando o "método da fita adesiva" (ver Apêndice). Consequentemente, é improvável que esse grafeno encontre aplicação na eletrônica.

Como se viu, o grafeno, obtido como resultado dos dois métodos acima, é de maior qualidade (contém menos defeitos na rede) e, como resultado, tem maior condutividade.

Outra conquista de pesquisadores da Califórnia veio a calhar, que recentemente relataram alta resolução (resolução de até 1Å) microscopia eletrônica de baixa energia (80 kV) para observação direta de átomos individuais e defeitos na rede cristalina de grafeno. Pela primeira vez no mundo, os cientistas conseguiram obter imagens de alta definição da estrutura atômica do grafeno (Fig. 5), onde você pode ver com seus próprios olhos a estrutura de grade do grafeno.

Pesquisadores da Universidade de Cornell foram ainda mais longe. A partir de uma folha de grafeno, eles conseguiram criar uma membrana com apenas um átomo de carbono de espessura e inflá-la como um balão. Essa membrana acabou sendo forte o suficiente para suportar uma pressão de gás de várias atmosferas. O experimento foi o seguinte. Folhas de grafeno foram colocadas em um substrato de silício oxidado com células gravadas preliminarmente, que foram firmemente aderidas à superfície de silício devido às forças de van der Waals (Fig. 6a). Desta forma, foram formadas microcâmaras nas quais o gás poderia ser retido. Depois disso, os cientistas criaram uma diferença de pressão dentro e fora da câmara (Fig. 6b). Usando um microscópio de força atômica, que mede a quantidade de força de deflexão que um cantilever com uma agulha sente ao escanear uma membrana a uma altura de apenas alguns nanômetros de sua superfície, os pesquisadores puderam observar o grau de concavidade-concavidade do membrana (Fig. 6c–e) ao alterar a pressão até várias atmosferas.

Depois disso, a membrana foi usada como um tambor em miniatura para medir a frequência de suas vibrações com uma mudança de pressão. Verificou-se que o hélio permanece na microcâmara mesmo em alta pressão. No entanto, como o grafeno usado no experimento não era o ideal (tinha defeitos na estrutura cristalina), o gás vazou gradativamente pela membrana. Ao longo da experiência, que durou mais de 70 horas, foi observada uma diminuição constante da tensão da membrana (Fig. 6e).

Os autores do estudo apontam que tais membranas podem ter uma ampla variedade de aplicações - por exemplo, podem ser usadas para estudar materiais biológicos colocados em uma solução. Para isso, basta cobrir esse material com grafeno e estudá-lo através de uma membrana transparente com um microscópio, sem medo de vazamento ou evaporação da solução que sustenta a atividade vital do organismo. Também é possível fazer buracos de tamanho atômico na membrana e então observar, estudando os processos de difusão, como átomos ou íons individuais passam pelo buraco. Mas o mais importante, o estudo de cientistas da Universidade de Cornell trouxe a ciência um passo mais perto da criação de sensores de átomo único.

O rápido crescimento do número de estudos sobre o grafeno mostra que este é de fato um material muito promissor para uma ampla gama de aplicações, mas muitas teorias e dezenas de experimentos ainda precisam ser construídos antes de serem colocados em prática.

Membranas Atômicas Impermeáveis ​​de Folhas de Grafeno (texto completo disponível) // NanoLetras. V. 8. Não. 8. P. 2458–2462 (2008).

Alexandre Samardak

Até o ano passado, a única forma conhecida pela ciência de produzir grafeno era aplicar a camada mais fina de grafite em fita adesiva e depois retirar a base. Esta técnica é chamada de "técnica de fita adesiva". Recentemente, porém, os cientistas descobriram que existe uma forma mais eficiente de obter um novo material: como base, eles passaram a usar uma camada de cobre, níquel ou silício, que depois é removida por ataque ácido (Fig. 2). Dessa forma, folhas retangulares de grafeno com 76 centímetros de largura foram criadas por uma equipe de cientistas da Coréia, Japão e Cingapura. Os pesquisadores não apenas estabeleceram uma espécie de recorde para o tamanho de um pedaço de uma estrutura de camada única de átomos de carbono, como também criaram telas sensíveis baseadas em folhas flexíveis.

Figura 2: Obtenção de grafeno por gravação

Pela primeira vez, "flocos" de grafeno foram obtidos por físicos apenas em 2004, quando seu tamanho era de apenas 10 micrômetros. Há um ano, a equipe de Rodney Ruoff, da Universidade do Texas em Austin, anunciou que havia conseguido criar "restos" de grafeno do tamanho de um centímetro.

Ruoff e colegas depositaram átomos de carbono em folha de cobre usando deposição química de vapor (CVD). Pesquisadores do laboratório do professor Byun Hee Hong, da Universidade Sunkhyunkhwan, foram além e ampliaram as folhas para o tamanho de uma tela completa. A nova tecnologia “roll” (processamento roll-to-roll) permite obter uma longa fita de grafeno (Fig. 3).

Figura 3: Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução de camadas de grafeno empilhadas.

Uma camada de um polímero adesivo foi colocada em cima das folhas de grafeno da física, os substratos de cobre foram dissolvidos, então o filme de polímero foi separado - uma única camada de grafeno foi obtida. Para dar maior resistência às folhas, os cientistas da mesma forma "cresceram" mais três camadas de grafeno. Ao final, o “sanduíche” resultante foi tratado com ácido nítrico para melhorar a condutividade. Uma nova folha de grafeno é colocada sobre um substrato de poliéster e passada entre rolos aquecidos (Fig. 4).

Figura 4: Tecnologia Roll para obtenção de grafeno

A estrutura resultante transmitia 90% da luz e tinha uma resistência elétrica inferior à do padrão, mas ainda muito caro, condutor transparente, óxido de índio-estanho (ITO). A propósito, usando folhas de grafeno como base de telas sensíveis ao toque, os pesquisadores descobriram que sua estrutura também é menos frágil.

É verdade que, apesar de todas as conquistas, a comercialização da tecnologia ainda está muito distante. Os filmes de nanotubos de carbono transparentes vêm tentando suplantar o ITO há algum tempo, mas os fabricantes parecem não conseguir contornar o problema dos "pixels mortos" que aparecem nos defeitos do filme.

O uso de grafenos em engenharia elétrica e eletrônica

O brilho dos pixels em telas planas é determinado pela tensão entre dois eletrodos, um dos quais está voltado para o observador (Fig. 5). Esses eletrodos devem ser transparentes. Atualmente, o óxido de índio dopado com estanho (ITO) é usado para produzir eletrodos transparentes, mas o ITO é caro e não é o material mais estável. Além disso, o mundo em breve esgotará suas reservas de índio. O grafeno é mais transparente e mais estável que o ITO, e um LCD de eletrodo de grafeno já foi demonstrado.

Figura 5: Brilho das telas de grafeno em função da tensão aplicada

O material também tem grande potencial em outras áreas da eletrônica. Em abril de 2008, cientistas de Manchester demonstraram o menor transistor de grafeno do mundo. Uma camada perfeitamente correta de grafeno controla a resistência do material, transformando-o em um dielétrico. Torna-se possível criar um interruptor microscópico para um nanotransistor de alta velocidade para controlar o movimento de elétrons individuais. Quanto menores os transistores nos microprocessadores, mais rápido ele é, e os cientistas esperam que os transistores de grafeno nos computadores do futuro sejam do tamanho de uma molécula, já que a tecnologia moderna de microtransistores de silício está quase chegando ao seu limite.

O grafeno não é apenas um excelente condutor de eletricidade. Possui a mais alta condutividade térmica: as vibrações atômicas se propagam facilmente através da malha de carbono de uma estrutura celular. A dissipação de calor na eletrônica é um problema sério porque há limites para as altas temperaturas que a eletrônica pode suportar. No entanto, cientistas da Universidade de Illinois descobriram que os transistores baseados em grafeno têm uma propriedade interessante. Eles manifestam um efeito termoelétrico, levando a uma diminuição da temperatura do dispositivo. Isso pode significar que a eletrônica baseada em grafeno tornará dissipadores de calor e ventiladores uma coisa do passado. Assim, a atratividade do grafeno como um material promissor para microcircuitos do futuro aumenta ainda mais (Fig. 6).

Figura 6: Uma sonda de microscópio de força atômica escaneando a superfície de um contato grafeno-metal para medir a temperatura.

Não foi fácil para os cientistas medir a condutividade térmica do grafeno. Eles inventaram uma maneira totalmente nova de medir sua temperatura colocando um filme de grafeno de 3 mícrons de comprimento exatamente sobre o mesmo minúsculo buraco em um cristal de dióxido de silício. O filme foi então aquecido com um feixe de laser, fazendo-o vibrar. Essas vibrações ajudaram a calcular a temperatura e a condutividade térmica.

A engenhosidade dos cientistas não conhece limites quando se trata de usar as propriedades fenomenais de uma nova substância. Em agosto de 2007, foi criado o mais sensível de todos os sensores possíveis baseados nele. É capaz de responder a uma molécula de gás, o que ajudará a detectar a presença de toxinas ou explosivos em tempo hábil. Moléculas alienígenas descem pacificamente na rede de grafeno, eliminando elétrons ou adicionando-os. Como resultado, a resistência elétrica da camada de grafeno muda, que é medida pelos cientistas. Mesmo as menores moléculas são aprisionadas pela forte malha de grafeno. Em setembro de 2008, cientistas da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, demonstraram como uma membrana de grafeno, como o balão mais fino, infla devido a uma diferença de pressão de várias atmosferas em ambos os lados. Essa característica do grafeno pode ser útil na determinação do curso de várias reações químicas e, em geral, no estudo do comportamento de átomos e moléculas.

Obter grandes folhas de grafeno puro ainda é muito difícil, mas a tarefa pode ser simplificada se a camada de carbono for misturada com outros elementos. Na Northwestern University, nos Estados Unidos, o grafite foi oxidado e dissolvido em água. O resultado foi um material semelhante a papel - papel de óxido de grafeno (Fig. 7). É muito difícil e bem fácil de fazer. O óxido de grafeno é adequado como uma membrana durável em baterias e células de combustível.

Figura 7: Papel de óxido de grafeno

A membrana de grafeno é um substrato ideal para objetos de estudo sob um microscópio eletrônico. Células perfeitas se fundem em imagens em um fundo cinza uniforme, contra o qual outros átomos se destacam claramente. Até agora, era quase impossível distinguir os átomos mais leves em um microscópio eletrônico, mas com o grafeno como substrato, até pequenos átomos de hidrogênio podem ser vistos.

As possibilidades de uso do grafeno são infinitas. Recentemente, físicos da Northwestern University, nos EUA, descobriram que o grafeno pode ser misturado com plástico. O resultado é um material fino e super forte que pode suportar altas temperaturas e é impermeável a gases e líquidos.

O escopo de sua aplicação é a produção de postos de gasolina leves, peças de reposição para carros e aeronaves, pás de turbinas eólicas duráveis. O plástico pode ser usado para embalar produtos alimentícios, mantendo-os frescos por muito tempo.

O grafeno não é apenas o material mais fino, mas também o mais durável do mundo. Cientistas da Universidade de Columbia em Nova York verificaram isso colocando grafeno sobre pequenos buracos em um cristal de silício. Então, pressionando a agulha de diamante mais fina, eles tentaram destruir a camada de grafeno e mediram a força de pressão (Fig. 8). Descobriu-se que o grafeno é 200 vezes mais forte que o aço. Se você imaginar uma camada de grafeno tão espessa quanto um filme plástico, ela suportaria a pressão de uma ponta de lápis, na extremidade oposta da qual um elefante ou um carro se equilibrariam.

Figura 8: Pressão na agulha de diamante de grafeno

O grafeno pertence a uma classe de compostos de carbono únicos que possuem propriedades químicas e físicas notáveis, como excelente condutividade elétrica, combinada com incrível leveza e resistência.

Supõe-se que, com o tempo, será capaz de substituir o silício, que é a base da produção moderna de semicondutores. Atualmente, o status de “material do futuro” foi atribuído com segurança a este composto.

Recursos do material

O grafeno, mais frequentemente encontrado sob a designação "G", é uma forma bidimensional de carbono que possui uma estrutura incomum na forma de átomos conectados em uma rede hexagonal. Ao mesmo tempo, sua espessura total não excede o tamanho de cada um deles.

Para uma compreensão mais clara do que é o grafeno, é aconselhável se familiarizar com características únicas como:

• Grave alta condutividade térmica;
• Alta resistência mecânica e flexibilidade do material, centenas de vezes superior ao mesmo indicador para produtos siderúrgicos;
• Condutividade elétrica incomparável;
• Alto ponto de fusão (mais de 3 mil graus);
• Impermeabilidade e transparência.

A estrutura incomum do grafeno é evidenciada por um fato tão simples: quando 3 milhões de folhas de grafeno são combinadas, a espessura total do produto acabado não será superior a 1 mm.

Para entender as propriedades únicas desse material incomum, basta notar que em sua origem é semelhante ao grafite em camadas usual usado no grafite de lápis. No entanto, devido ao arranjo especial dos átomos na rede hexagonal, sua estrutura adquire as características inerentes a um material tão duro quanto o diamante.

Quando o grafeno é isolado do grafite, no filme de espessura atômica formado nesse processo, observam-se suas propriedades mais “maravilhosas”, características dos materiais 2D modernos. Hoje é difícil encontrar tal área da economia nacional, onde quer que este composto único seja usado, e onde não seja considerado tão promissor. Isso é especialmente evidente no campo dos desenvolvimentos científicos, que visam dominar novas tecnologias.

Como conseguir

A descoberta deste material pode ser datada de 2004, após o qual os cientistas dominaram vários métodos para obtê-lo, que são apresentados abaixo:

• Resfriamento químico, implementado pelo método de transformações de fase (chamado de processo CVD);
• O chamado "crescimento epitaxial", realizado no vácuo;
• Método de "esfoliação mecânica".

Vamos considerar cada um deles com mais detalhes.

Mecânico

Vamos começar com o último desses métodos, que é considerado o mais acessível para execução independente. Para obter grafeno em casa, é necessário realizar sequencialmente a seguinte série de operações:

• Primeiro você precisa preparar uma placa de grafite fina, que é então presa ao lado adesivo de uma fita especial;
• Depois disso, ele se dobra ao meio e retorna ao seu estado original novamente (suas extremidades são divorciadas);
• Como resultado de tais manipulações, é possível obter uma dupla camada de grafite no lado adesivo da fita;
• Se você realizar esta operação várias vezes, será fácil obter uma pequena espessura da camada de material aplicada;
• Em seguida, é aplicada fita adesiva com filmes divididos e muito finos sobre um substrato de óxido de silício;
• Como resultado, o filme permanece parcialmente no substrato, formando uma camada de grafeno.

A desvantagem deste método é a dificuldade em obter um filme suficientemente fino de um determinado tamanho e forma, que seja fixado com segurança nas partes do substrato reservadas para esse fim.

Atualmente, a maior parte do grafeno utilizado na prática cotidiana é produzido dessa forma. Devido à esfoliação mecânica, é possível obter um composto de qualidade bastante elevada, mas este método é completamente inadequado para condições de produção em massa.

Métodos Industriais

Uma das formas industriais de obter grafeno é cultivá-lo no vácuo, cujas características podem ser representadas da seguinte forma:

• Para sua fabricação, é tomada uma camada superficial de carboneto de silício, que está sempre presente nas superfícies desse material;
• Em seguida, o wafer de silício pré-preparado é aquecido a uma temperatura relativamente alta (da ordem de 1000 K);
• Devido às reações químicas que ocorrem neste caso, observa-se a separação dos átomos de silício e carbono, em que o primeiro deles evapora imediatamente;
• Como resultado dessa reação, o grafeno puro (G) permanece na placa.

As desvantagens deste método incluem a necessidade de aquecimento a alta temperatura, o que muitas vezes causa dificuldades técnicas.

O método industrial mais confiável para evitar as dificuldades descritas acima é o chamado "processo CVD". Quando implementado, ocorre uma reação química que ocorre na superfície do catalisador metálico quando combinado com gases de hidrocarbonetos.

Como resultado de todas as abordagens discutidas acima, é possível obter compostos alotrópicos puros de carbono bidimensional na forma de uma camada de apenas um átomo de espessura. Uma característica dessa formação é a conexão desses átomos em uma rede hexagonal devido à formação das chamadas ligações "σ" e "π".

Os portadores de carga elétrica na rede de grafeno são caracterizados por um alto grau de mobilidade, que é muito maior do que a de outros materiais semicondutores conhecidos. É por isso que é capaz de substituir o silício clássico tradicionalmente usado na produção de circuitos integrados.

As possibilidades de aplicação prática de materiais à base de grafeno estão diretamente relacionadas às características de sua produção. Atualmente, existem muitos métodos para obtenção de seus fragmentos individuais, que diferem em forma, qualidade e tamanho.

Entre todos os métodos conhecidos, destacam-se as seguintes abordagens:

1. Produção de uma variedade de óxido de grafeno na forma de flocos utilizados na produção de tintas eletricamente condutoras, bem como vários graus de materiais compósitos;
2. Obtenção de grafeno plano G, do qual são feitos os componentes dos dispositivos eletrônicos;
3. Material crescente do mesmo tipo usado como componentes inativos.

As principais propriedades deste composto e sua funcionalidade são determinadas pela qualidade do substrato, bem como pelas características do material com o qual é cultivado. Tudo isso depende, em última análise, do método de produção utilizado.

Dependendo do método de obtenção desse material exclusivo, ele pode ser usado para diversos fins, a saber:

1. O grafeno obtido por esfoliação mecânica destina-se principalmente à pesquisa, o que se explica pela baixa mobilidade dos portadores de carga livre;
2. Quando o grafeno é obtido por uma reação química (térmica), é mais frequentemente usado para criar materiais compostos, bem como revestimentos de proteção, tintas e corantes. A mobilidade dos portadores livres é um pouco maior, o que permite sua utilização na fabricação de capacitores e isoladores de filme;
3. Se o método CVD for utilizado para obter este composto, ele pode ser utilizado em nanoeletrônica, bem como na fabricação de sensores e filmes flexíveis transparentes;
4. O grafeno obtido pelo método "wafer de silício" é usado para fabricar elementos de dispositivos eletrônicos como transistores de alta frequência e componentes similares. A mobilidade dos portadores de carga livre em tais compostos é máxima.

Os recursos listados do grafeno abrem amplos horizontes para os fabricantes e permitem que eles concentrem seus esforços em sua implementação nas seguintes áreas promissoras:

• Em áreas alternativas da eletrônica moderna, associada à substituição de componentes de silício;
• Nas principais indústrias químicas de produção;
• Ao projetar produtos exclusivos (como, por exemplo, materiais compostos e membranas de grafeno);
• Em engenharia elétrica e eletrônica (como um condutor "ideal").

Além disso, cátodos frios, baterias de armazenamento, bem como eletrodos condutores especiais e revestimentos de filme transparente podem ser feitos com base neste composto. As propriedades únicas deste nanomaterial conferem-lhe uma vasta gama de possibilidades para a sua utilização em desenvolvimentos avançados.

Vantagens e desvantagens

Vantagens dos produtos à base de grafeno:

• Alto grau de condutividade elétrica, comparável ao mesmo indicador para cobre comum;
• Pureza óptica quase perfeita, devido à qual absorve não mais que dois por cento da faixa de luz visível. Portanto, do lado de fora, parece quase incolor e invisível ao observador;
• Resistência mecânica superior ao diamante;
• Flexibilidade, em que o grafeno de camada única é superior à borracha elástica. Essa qualidade facilita a alteração da forma dos filmes e o estiramento, se necessário;
• Resistência a influências mecânicas externas;
• Condutividade térmica incomparável, em termos de que é dez vezes superior ao mesmo cobre.

As desvantagens deste composto de carbono exclusivo incluem:

1. A impossibilidade de obter em volumes suficientes para a produção industrial, bem como atingir as propriedades físico-químicas necessárias para garantir alta qualidade. Na prática, é possível obter apenas pequenos fragmentos de folhas de grafeno;
2. Os produtos industriais são na maioria das vezes inferiores em suas características às amostras obtidas em laboratórios de pesquisa. Não é possível alcançá-los com a ajuda de tecnologias industriais comuns;
3. Altos custos não trabalhistas, que limitam significativamente as possibilidades de sua produção e aplicação prática.

Apesar de todas essas dificuldades, os pesquisadores não abandonam as tentativas de desenvolver novas tecnologias para a produção de grafeno.

Em conclusão, deve-se afirmar que as perspectivas para este material são simplesmente fantásticas, pois também pode ser usado na produção de gadgets modernos ultrafinos e flexíveis. Além disso, é possível criar equipamentos médicos modernos e medicamentos que podem combater o câncer e outras doenças tumorais comuns.

Vídeo

O grafeno é um material revolucionário do século XXI. É a versão mais forte, leve e eletricamente condutora da ligação de carbono.

O grafeno foi encontrado por Konstantin Novoselov e Andrey Geim, trabalhando na Universidade de Manchester, pelo qual cientistas russos receberam o Prêmio Nobel. Até hoje, cerca de dez bilhões de dólares foram destinados à pesquisa das propriedades do grafeno por dez anos, e há rumores de que ele pode ser um excelente substituto para o silício, principalmente na indústria de semicondutores.

No entanto, uma estrutura bidimensional semelhante a esse material carbonáceo também foi prevista para outros elementos da Tabela Periódica dos Elementos Químicos, e propriedades muito incomuns de uma dessas substâncias foram recentemente estudadas. E essa substância é chamada de "fósforo azul".

Nativos russos que trabalham na Grã-Bretanha, Konstantin Novoselov e Andrey Geim, criaram o grafeno - uma camada translúcida de carbono com um átomo de espessura - em 2004. A partir desse momento, quase imediatamente e em todos os lugares, começamos a ouvir odes elogiosas sobre uma variedade de propriedades surpreendentes de um material que tem o potencial de mudar nosso mundo e encontrar sua aplicação em vários campos, desde a produção de computadores quânticos até a produção de filtros para obter água potável. 15 anos se passaram, mas o mundo sob a influência do grafeno não mudou. Por quê?

Todos os dispositivos eletrônicos modernos usam elétrons para transmitir informações. Agora, o desenvolvimento de computadores quânticos está em pleno andamento, o que muitos consideram a futura substituição de dispositivos tradicionais. No entanto, existe outra forma de desenvolvimento não menos interessante. Criação dos chamados computadores fotônicos. E recentemente, um grupo de pesquisadores da Universidade de Exeter () descobriu uma propriedade de partícula que poderia ajudar a projetar novos circuitos de computador.

Fibras de grafeno sob um microscópio eletrônico de varredura. O grafeno puro é recuperado do óxido de grafeno (GO) em um forno de micro-ondas. Escala 40 µm (esquerda) e 10 µm (direita). Foto: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University

O grafeno é uma modificação 2D do carbono formada por uma camada de um átomo de carbono de espessura. O material tem alta resistência, alta condutividade térmica e propriedades físicas e químicas únicas. Ele exibe a maior mobilidade eletrônica de qualquer material conhecido na Terra. Isso torna o grafeno um material quase ideal para uma ampla variedade de aplicações, incluindo eletrônicos, catalisadores, baterias, materiais compostos, etc. O ponto é pequeno - aprender a obter camadas de grafeno de alta qualidade em escala industrial.

Químicos da Rutgers University (EUA) descobriram um método simples e rápido para produzir grafeno de alta qualidade processando óxido de grafeno em um forno de microondas convencional. O método é surpreendentemente primitivo e eficaz.

O óxido de grafite é um composto de carbono, hidrogênio e oxigênio em várias proporções, que se forma quando o grafite é tratado com agentes oxidantes fortes. Para se livrar do oxigênio restante no óxido de grafite e, em seguida, obter grafeno puro em folhas bidimensionais, requer um esforço considerável.

O óxido de grafite é misturado com álcalis fortes e o material é ainda mais reduzido. Como resultado, são obtidas folhas monomoleculares com resíduos de oxigênio. Essas folhas são comumente chamadas de óxido de grafeno (GO). Os químicos tentaram diferentes maneiras de remover o excesso de oxigênio do GO ( , , , ), mas o GO (rGO) reduzido por tais métodos continua sendo um material altamente desordenado, que está longe do grafeno puro real obtido por deposição de vapor químico (CVD).

Mesmo em sua forma desordenada, o rGO tem potencial para ser útil para transportadores de energia ( , , , , ) e catalisadores ( , , , ), mas para aproveitar ao máximo as propriedades únicas do grafeno na eletrônica, você precisa aprender como para obter grafeno puro de alta qualidade da GO.

Químicos da Rutgers University oferecem uma maneira simples e rápida de reduzir o GO a grafeno puro usando pulsos de microondas de 1-2 segundos. Como pode ser visto nos gráficos, o grafeno obtido por “redução de microondas” (MW-rGO) é muito mais próximo em suas propriedades do grafeno mais puro obtido usando CVD.

Características físicas de MW-rGO em comparação com óxido de grafeno puro GO, óxido de grafeno reduzido rGO e grafeno de deposição de vapor químico (CVD). São mostrados flocos de GO típicos depositados em um substrato de silício (A); Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (B); Espectroscopia Raman e razão de tamanho de cristal (L a) para razão de pico l 2D /l G no espectro Raman para MW-rGO, GO e CVD.

Propriedades eletrônicas e eletrocatalíticas de MW-rGO em comparação com rGO. Ilustrações: Universidade Rutgers

O processo técnico para obtenção do MW-rGO consiste em várias etapas.

1. Oxidação de grafite pelo método de Hummers modificado e sua dissolução em flocos de camada única de óxido de grafeno em água.
2. GO recozimento para tornar o material mais suscetível à irradiação de micro-ondas.
3. Irradiação de flocos GO em um forno de microondas convencional de 1000W por 1-2 segundos. Durante este procedimento, o GO é rapidamente aquecido a uma alta temperatura, ocorre a dessorção de grupos de oxigênio e uma excelente estruturação da rede de carbono.

Fotografar com um microscópio eletrônico de transmissão mostra que após o tratamento com um emissor de micro-ondas, uma estrutura altamente ordenada é formada na qual os grupos funcionais de oxigênio são quase completamente destruídos.

As imagens do microscópio eletrônico de transmissão mostram a estrutura das folhas de grafeno com uma escala de 1 nm. À esquerda está um rGO de camada única com muitos defeitos, incluindo grupos funcionais de oxigênio (seta azul) e buracos na camada de carbono (seta vermelha). No centro e à direita está um MW-rGO de duas e três camadas perfeitamente estruturado. Foto: Universidade Rutgers

As excelentes propriedades estruturais do MW-rGO quando usado em transistores de efeito de campo permitem que a mobilidade eletrônica máxima seja aumentada para cerca de 1500 cm 2 /V·s, o que é comparável ao excelente desempenho dos transistores modernos de alta mobilidade eletrônica.

Além da eletrônica, o MW-rGO é útil na produção de catalisadores: apresentou um valor excepcionalmente baixo do coeficiente de Tafel quando usado como catalisador na reação de evolução de oxigênio: cerca de 38 mV por década. O catalisador MW-rGO também permaneceu estável na reação de evolução de hidrogênio, que durou mais de 100 horas.

Tudo isso sugere um excelente potencial para o uso de grafeno com redução de micro-ondas na indústria.

Artigo de Pesquisa "Grafeno de alta qualidade via redução de microondas de óxido de grafeno esfoliado em solução" publicado em 1 de setembro de 2016 na revista Ciência(doi: 10.1126/science.aah3398).