Grafen, karbonska ploča debljine reda veličine jednog atoma, mogao bi se naći u središtu sljedeće revolucije na području znanosti o materijalima.
Ova ultratanka ploča predstavlja velik potencijal na širokom spektru područja: od moguće zamjene za silicij u solarnim pločama do materijala za hlađenje računalnih jezgri.
“Unatoč obećavajućoj budućnosti, grafen i njegovi derivati široj su javnosti relativno nepoznati materijali”, navodi Vivek Shenoy, profesor strojarstva na Sveučilištu Brown. “Što bolje upoznamo njihova svojstva, pojavit će se sve veći broj mogućih tehnoloških primjena. Shenoy i njegov tim američkih znanstvenika ostvarili su novi uvid u svojstva ovih tajanstvenih materijala. Prema članku objavljenom u znanstvenom časopisu Nature Chemistry, tim je uspio locirati atomsku konfiguraciju nanokarbonskih atoma koji uzrokuju defekte tijekom proizvodnje grafena tehnikom poznatom pod nazivom “grafen-oksid redukcija”. Na temelju tog otkrića, znanstvenici predlažu moguće načine usavršavanja te tehnike, koji se uglavnom zasnivaju na primjeni vodika, umjesto topline, za odstranjivanje onečišćenja.
Ploče proizvedene tehnikom “grafen-oksid redukcije” dvodimenzionalne su ploče s karbonskim uzorkom pčelinjeg saća. Većinu rešetke sačinjavaju atomi ugljika, što je upravo ono što znanstvenici i žele. Ipak, struktura je prožeta atomima kisika i vodika, koji prekidaju jednolikost ploče. Primjeni li se dovoljno topline, neki od atoma kisika će se povezati s atomima vodika formirajući pritom molekulu vode, nakon čega ih je moguće odstraniti. Ipak, neki od atoma kisika mogu biti izuzetno tvrdoglavi. Shenoy, u suradnji s Akbarom Bagriem (studentom postdiplomskog studija na Sveučilištu Brown) i kolegama sa Sveučilišta Rutgers i Texas–Dallas, isprobali su nešto drugačiju tehniku. Oni su uz pomoć simulacija molekularne dinamike promatrali raspored atoma grafenske ploče, preko čega su potom pokušali otkriti zašto poneki atomi kisika zaostaju u rešetki nakon čišćenja. Otkrili su kako je zaostali kisik formirao dvostruke veze s atomima ugljika, zbog čega su dodatno stabilizirali svoj položaj u rešetki, ali su s druge strane uzrokovali pojavu `rupa` u atomskoj strukturi ploče. “Atome kisika, koji su dvostrukim vezama vezani za atome ugljika, karakterizira izuzetno niska energija”, objašnjava Shenoy. “Vrlo su nereaktivni zbog čega ih je teško odstraniti iz rešetke.”
Sada kada razumiju konfiguraciju zaostalih atoma kisika u grafenu, znanstvenici kažu kako je dodavanje atoma vodika u točno propisanim dozama i na točno određena mjesta u rešetki najbolji način daljnje redukcije oksida grafena. Jedna tehnika koja prema članku puno obećava, zasniva se na uvođenju atoma vodika na mjesta na kojima su se atomi kisika dvostrukom vezom povezali s atomima ugljika zbog čega su nastale još veće praznine. Tada bi se kisik i vodik trebali povezati u hidroksil te napustiti mrežu. U biti, radi se o svojevrsnom liječenju rane”, navodi Shenoy.
Još jedan od pristupa uklanjanju neželjenih atoma kisika fokusiran je na područja formacije karbonila – atomi ugljika vezani dvostrukom vezom na atome kisika. Dodavanje vodika teoretski bi trebalo `oguliti` atome kisika, koji s vodikom stvaraju vodu.”Sljedeći korak u ovom istraživanju jest eksperimentalna provjera tehnika odstranjivanja zaostalih kisika dodavanjem vodika. Na taj se način želi dodatno ispitati i sama svojstva oksida grafena u njegovom prirodnom okruženju”, zaključuje Shenoy.
Ovo su istraživanje financijski potpomogle Nacionalna zaklada za znanost te Inicijativa za industrijska istraživanja poluvodiča i nanotehnologije. Ostali znanstvenici koji su sudjelovali na ovom istraživanju su Cecilia Mattevi i Manish Chhowalla sa Sveučilišta Rutgers (oboje su trenutačno zaposleni na Imperial College u Londonu), Muge Acik i Yves Chabal sa Sveučilišta Texas–Dallas.
Izvor: Brown University
