دانشمندان کشف کرده اند که چرا اکسید گرافن نه تنها در دماهای بالا می سوزد، بلکه راه را به روی روشی امیدوارکننده و ارزان برای تولید گرافن باز می کند. این تحقیق در مجله کربن است.
بیش از یک دهه از اعطای جایزه نوبل برای تحقیقات تجربی بر روی گرافن می گذرد، اما دانشمندان هنوز راهی برای دستیابی به گرافن با کیفیت بالا و مساحت بزرگ که به اندازه کافی ارزان، کارآمد و مقیاس پذیر باشد، پیدا نکرده اند. نیاز دارد. به نظر می رسد کاهش گرافن از اکسید گرافن با تابش لیزر رویکرد امیدوارکننده ای باشد: با استفاده از روش های شیمیایی برای تهیه اکسید گرافن از گرافیت معمولی، فناوری احیا به کمک لیزر از نظر هزینه و قابلیت کنترل کیفیت مواد، نوید زیادی دارد.
چند سال پیش، تیمی از محققان از Skoltech کشف کردند که اکسید گرافن را میتوان تا 3300-3800 K گرم کرد، حتی در شرایط جوی، تا گرافن با کیفیت نسبتاً بالا تولید شود.
نیکیتا اورخوف گفت: "این نتیجه همکاران ما را شگفت زده کرد: دما بسیار بالا بود، اما آنها ماده ای با ساختار خوب به دست آوردند. مواد کربنی به راحتی در اکسیژن اتمسفر در دمای 600-800 K یا بالاتر می سوزند، در حالی که در آزمایشات در دماهای بالاتر، گرافن به خواص ساختاری خوبی دست می یابد." نیکیتا اورخوف، معاون مدیر آزمایشگاه روشهای ابررایانهای فیزیک ماده متراکم MIT، گفت: «بهمنظور کشف علت این اثر غیرمنتظره، تصمیم گرفتیم فرآیند کاهش اکسید گرافن در دمای بالا را با استفاده از مدلهای اتمی ابررایانهای مورد مطالعه قرار دهیم و کارهای بیشتری انجام دهیم. مطالعات به دنبال طراحی تجربی همکاران ما است."
تحت تأثیر پالس لیزر، اتمهای کربن با علامت قرمز در مرز ورقه گرافن «سوخته میشوند». ب - در ناحیه مرکزی ورق گرافن، بازپخت اتفاق می افتد: گرافن در ساختار پایدار صحیحی قرار می گیرد.
محققان دریافتند که از یک سو، در دماهای بالا (T> 3000k) اتمهای اکسیژن در محیط گاز با گرافن برهمکنش میکنند و آن را اکسید کرده و از بین میبرند. از طرف دیگر، بازپخت سریع شبکه کریستالی در همان دما شروع می شود که امکان از بین بردن عیوب را فراهم می کند. در طول بازپخت، ساختار شبکه به جای متلاشی شدن، صاف می شود.
منحنی های دما و نسبت I(G)/I(D) آرایه rGO در سرعت های لیزر مختلف و نرخ های تکرار پالس کاهش می یابد.
به نظر می رسد که دو فرآیند متضاد به طور همزمان در مکان های مختلف ماده در معرض پالس های لیزر رخ می دهد: احتراق یا تخریب در نزدیکی عیوب و مرزهای ورقه های گرافن متمرکز می شود، جایی که اتم های کربن فعال ترین فعالیت شیمیایی را دارند، در حالی که بازپخت می شوند. عمدتاً در مرکز ورقهها اتفاق میافتد، جایی که اتمها تمایل دارند به یک پیکربندی پایدار برگردند." استانیسلاو اولاشین، محقق اصلی در مرکز فناوری مواد اسکلتک (CMT).
این یافتهها چگونگی رفتار اکسید گرافن در دماهای شدید را روشن میکند، جایی که آزمایشهای مستقیم تقریباً غیرممکن است. درک فرآیند توصیف شده در این مقاله میتواند به توسعه و بهینهسازی روشهای بیشتر برای به دست آوردن گرافن تک کریستالی با کیفیت بالا کمک کند.
ساختار اتمی (a) و طرح حالت حرارتی (ب) GO. تکامل زمانی کل عدد اتمی (c)، عدد اتمی کربن (d) و عدد اتمی اکسیژن (e) در طول شبیهسازی در دماهای مختلف. اتم های کربن، اکسیژن و هیدروژن به ترتیب با رنگ های آبی، قرمز و خاکستری نشان داده شده اند.
منبع: مکانیسم کاهش لیزر اکسید گرافن در شرایط محیطی: مطالعه تجربی و ReaxFF، کربن (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018;کاهش لیزر قابل کنترل فیلم های اکسید گرافن برای کاربردهای فوتوالکترونیک، مواد و رابط های ACSAapplied (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145