Polscy naukowcy we współpracy z Francuzami opracowali nowy sposób wytwarzania wielowarstwowych pokryć grafenowych. Grafen to niezwykle obiecujący materiał, wciąż jednak drogi i trudny w produkcji. Metoda opracowana w Instytucie Chemii Fizycznej PAN oraz Institut de Recherche Interdisciplinaire w Lille nie wymaga użycia specjalistycznej aparatury i może być stosowana w praktycznie każdym laboratorium.
Grafen odkryto w 2004 roku, zdzierając warstwy węgla z grafitu za pomocą zwykłej taśmy klejącej. W tym, co zostało zdarte, można było znaleźć powłoki grubości jednego atomu, czyli właśnie grafen. Jeśli jednak chcemy myśleć o przemysłowych zastosowaniach grafenu, musimy znaleźć lepiej kontrolowane sposoby wytwarzania go w dużych ilościach i to bez konieczności używania drogiej, specjalistycznej aparatury - mówi Izabela Kamińska z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
Pod względem struktury, grafen jest dwuwymiarową powierzchnią zbudowaną z sześciowęglowych pierścieni. Budową przypomina więc plaster miodu, z tą różnicą, że powierzchnia grafenowa ma najmniejszą grubość z możliwych: zaledwie jednego atomu. Z unikatową strukturą grafenu wiążą się jego niezwykłe właściwości. Grafen jest niemal całkowicie przezroczysty, ponad 100-krotnie wytrzymalszy od stali i bardzo elastyczny. Jednocześnie wykazuje świetne przewodnictwo cieplne i elektryczne, jest więc dobrym materiałem do zastosowań w elektronice, np. do wytwarzania cienkich, elastycznych i wytrzymałych wyświetlaczy lub szybkich układów przetwarzających. Nadaje się też jako materiał do różnego typu bioczujników.
Dotychczasowe metody wytwarzania grafenu - takie jak osadzanie warstwy epitaksjalnej na podłożu metalicznym lub węgliku krzemu, bądź chemiczne lub fizyczne osadzanie z fazy gazowej - wymagają drogiego, specjalistycznego sprzętu i złożonych procedur produkcji. Tymczasem jedyną nieco bardziej złożoną aparaturą, używaną w metodzie wytwarzania pokryć grafenowych z IChF PAN i IRI, jest płuczka ultradźwiękowa, sprzęt dość powszechny w laboratoriach. Publikacja opisująca nową metodę ukazała się na początku roku w prestiżowym czasopiśmie "Chemical Communications".
Nowy proces wytwarzania warstw grafenowych zaczyna się od grafitu, alotropowej odmiany węgla, która na poziomie molekularnym przypomina kanapkę z wielu płaszczyzn grafenowych. Płachty te są trudne do rozseparowania. Aby osłabić oddziaływania między nimi, grafit należy utlenić. Otrzymany w ten sposób proszek - tlenek grafitu - jest następnie wsypywany do wody i umieszczany w płuczce ultradźwiękowej. Dzięki ultradźwiękom poszczególne, utlenione płaszczyzny grafenowe się rozdzielają. Efektem jest koloid zawierający pojedyncze płatki tlenku grafenu średnicy ok. 300 nanometrów.
Jednoatomowej grubości płatki tlenku grafenu to dobry punkt startowy, ale problemem są liczne grupy funkcyjne zawierające tlen. Rzecz w tym, że dramatycznie zmieniają one własności fizyko-chemiczne materiału. Zamiast doskonałego przewodnika mamy... izolator - wyjaśnia Kamińska. Aby usunąć ten tlen z płatków tlenku grafenu, badacze z IChF PAN i IRI postanowili wykorzystać oddziaływania między pierścieniami węglowymi w tlenku grafenu, a aromatycznymi pierścieniami związku nazywanego tetratiafulwalenem (TTF).
Cząsteczka TTF składa się z dwóch pierścieni zawierających po trzy atomy węgla i dwa atomy siarki. "W praktyce wystarczyło wymieszać tlenek grafenu i tetratiafulwalen, a następnie włożyć całość do płuczki ultradźwiękowej. Dzięki oddziaływaniom między pierścieniami TTF i pierścieniami tlenku grafenu następuje redukcja tlenku grafenu do grafenu przy jednoczesnym utlenieniu cząsteczek TTF - opisuje Kamińska. W wyniku tego procesu, w koloidzie wyjmowanym z płuczki znajdował się trwały kompozyt składający się z płatków grafenu z dołączonymi cząsteczkami TTF.
Krople koloidu były następnie nanoszone na elektrodę i osuszane. Płatki grafenowe osadzały się na elektrodzie i formowały na niej gładką powłokę o kontrolowanej grubości, od 100 do 500 nanometrów, złożoną z od kilkudziesięciu do kilkuset naprzemiennych warstw grafenu i cząsteczek TTF. Ostatnim etapem wytwarzania powłoki grafenowej było usunięcie z niej cząsteczek tetratiafulwalenu, co osiągnięto na drodze prostej reakcji chemicznej z odpowiednio dobranym związkiem.
Na podstawie materiałów prasowych IChF PAN.