El óxido de grafito , anteriormente llamado óxido grafítico o ácido grafítico , es un compuesto de carbono , oxígeno e hidrógeno en proporciones variables, obtenido al tratar el grafito con oxidantes fuertes y ácidos para la resolución de metales extra . El producto a granel oxidado al máximo es un sólido amarillo con una relación C: O entre 2,1 y 2,9, que retiene la estructura de capas de grafito pero con un espaciado mucho mayor e irregular. [2]
El material a granel se dispersa espontáneamente en soluciones básicas o se puede dispersar mediante sonicación en disolventes polares para producir láminas monomoleculares, conocidas como óxido de grafeno por analogía con el grafeno , la forma de grafito de una sola capa. [3] Las láminas de óxido de grafeno se han utilizado para preparar materiales resistentes parecidos al papel, membranas, películas delgadas y materiales compuestos. Inicialmente, el óxido de grafeno atrajo un interés sustancial como posible intermedio para la fabricación de grafeno. El grafeno obtenido por reducción de óxido de grafeno todavía tiene muchos defectos químicos y estructurales, lo que es un problema para algunas aplicaciones pero una ventaja para otras. [4]
Historia y preparación
El óxido de grafito fue preparado por primera vez por el químico de Oxford Benjamin C. Brodie en 1859, tratando el grafito con una mezcla de clorato de potasio y ácido nítrico humeante . [5] Informó de la síntesis de "láminas similares al papel" con un grosor de 0,05 mm. En 1957, Hummers y Offeman desarrollaron un proceso más seguro, más rápido y más eficiente llamado método de Hummers , utilizando una mezcla de ácido sulfúrico H 2 SO 4 , nitrato de sodio NaNO 3 y permanganato de potasio KMnO 4 , que todavía se usa ampliamente, a menudo con algunas modificaciones. [2] [6] [7] El GO de monocapa más grande con un marco de carbono muy intacto y concentraciones mínimas de impurezas residuales se puede sintetizar en contenedores inertes utilizando reactivos y disolventes de alta pureza. [8]
Los óxidos de grafito presentan variaciones considerables de propiedades según el grado de oxidación y el método de síntesis. [9] [10] Por ejemplo, el punto de temperatura de exfoliación explosiva es generalmente más alto para el óxido de grafito preparado por el método Brodie en comparación con el óxido de grafito Hummers, la diferencia es de hasta 100 grados con las mismas velocidades de calentamiento. [11] Las propiedades de hidratación y solvatación de los óxidos de grafito Brodie y Hummers también son notablemente diferentes. [12]
Recientemente, se ha utilizado una mezcla de H 2 SO 4 y KMnO 4 para cortar nanotubos de carbono abiertos a lo largo, lo que da como resultado cintas microscópicas planas de grafeno , de unos pocos átomos de ancho, con los bordes "cubiertos" por átomos de oxígeno (= O) o grupos hidroxilo. (-OH). [13]
El óxido de grafito (grafeno) (GO) también se ha preparado utilizando un método de síntesis "de abajo hacia arriba" (método Tang-Lau) en el que la única fuente es la glucosa, el proceso es más seguro, más simple y más respetuoso con el medio ambiente en comparación con el método tradicional. método "de arriba hacia abajo", en el que intervienen oxidantes fuertes. Otra ventaja importante del método Tang-Lau es el control del espesor, que va desde monocapa hasta multicapas mediante el ajuste de los parámetros de crecimiento. [14]
Estructura
La estructura y propiedades del óxido de grafito dependen del método de síntesis particular y del grado de oxidación. [9] [10] Por lo general, conserva la estructura de la capa del grafito principal, pero las capas están dobladas y el espaciado entre capas es aproximadamente dos veces mayor (~ 0,7 nm) que el del grafito. Estrictamente hablando, "óxido" es un nombre incorrecto pero históricamente establecido. Además de los grupos epóxido de oxígeno (puentes de átomos de oxígeno), otros grupos funcionales encontrados experimentalmente son: [9] carbonilo (C = O), hidroxilo (-OH), fenol , para óxidos de grafito preparados con ácido sulfúrico (por ejemplo, método de Hummers) también algunas impurezas de azufre se encuentra a menudo, por ejemplo, en forma de grupos organosulfato. [15] [16] [17] [18] [19] [20] La estructura detallada aún no se comprende debido al fuerte desorden y al empaquetamiento irregular de las capas.
Las capas de óxido de grafeno tienen un grosor de aproximadamente 1,1 ± 0,2 nm. [15] [16] microscopía de efecto túnel muestra la presencia de regiones locales donde los átomos de oxígeno están dispuestos en un patrón rectangular con constante de red 0,27 nm x 0,41 nm [16] [21] Los bordes de cada capa están terminados con carboxilo y carbonilo grupos . [15] La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X muestra la presencia de varios picos C 1 s , su número e intensidad relativa dependen del método de oxidación particular utilizado. La asignación de estos picos a ciertos tipos de funcionalización de carbono es algo incierta y aún se debate. Por ejemplo, una de las interpretaciones es la siguiente: contextos de anillo no oxigenados (284,8 eV), CO (286,2 eV), C = O (287,8 eV) y OC = O (289,0 eV). [22] Otra interpretación que utiliza el cálculo de la teoría funcional de la densidad es la siguiente: C = C con defectos como grupos funcionales y pentágonos (283,6 eV), C = C (contextos de anillos no oxigenados) (284,3 eV), sp 3 CH en plano basal y C = C con grupos funcionales (285.0 eV), C = O y C = C con grupos funcionales, CO (286.5 eV) y OC = O (288.3 eV). [23]
El óxido de grafito es hidrófilo y se hidrata fácilmente cuando se expone al vapor de agua o se sumerge en agua líquida, lo que resulta en un marcado aumento de la distancia entre planos (hasta 1,2 nm en estado saturado). También se incorpora agua adicional al espacio entre capas debido a los efectos inducidos por la alta presión. [24] El estado de hidratación máximo del óxido de grafito en agua líquida corresponde a la inserción de 2-3 monocapas de agua, enfriar las muestras de óxido de grafito / H2O da como resultado una "expansión térmica pseudo-negativa" y por debajo del punto de congelación del medio de agua se produce la desinserción de una monocapa de agua y contracción de celosía. [12] La eliminación completa del agua de la estructura parece difícil ya que el calentamiento a 60-80 ° C da como resultado una descomposición parcial y degradación del material.
Al igual que el agua, el óxido de grafito también incorpora fácilmente otros disolventes polares, por ejemplo, alcoholes. Sin embargo, la intercalación de solventes polares ocurre significativamente diferente en óxidos de grafito Brodie y Hummers. El óxido de grafito de Brodie se intercala en condiciones ambientales mediante una monocapa de alcoholes y varios otros disolventes (por ejemplo, dimetilformamida y acetona) cuando hay un exceso de disolvente líquido disponible. La separación de las capas de óxido de grafito es proporcional al tamaño de la molécula de alcohol. [27] El enfriamiento de óxido de grafito Brodie sumergido en un exceso de metanol líquido , etanol , acetona y dimetilformamida da como resultado la inserción escalonada de una monocapa de disolvente adicional y la expansión de la red. La transición de fase detectada por difracción de rayos X y DSC es reversible; se observa la desinserción de la monocapa de disolvente cuando la muestra se vuelve a calentar desde temperaturas bajas. [28] Se inserta de forma reversible una monocapa adicional de metanol y etanol en la estructura del óxido de grafito Brodie también en condiciones de alta presión. [27]
El óxido de grafito de Hummers se intercala con dos monocapas de metanol o etanol ya a temperatura ambiente. La distancia entre capas de óxido de grafito de Hummers en exceso de alcoholes líquidos aumenta gradualmente al disminuir la temperatura, alcanzando 19,4 y 20,6 Å a 140 K para metanol y etanol, respectivamente. La expansión gradual de la red de óxido de grafito de Hummers al enfriarse corresponde a la inserción de al menos dos monocapas de disolvente adicionales. [29]
El óxido de grafito se exfolia y se descompone cuando se calienta rápidamente a temperaturas moderadamente altas (~ 280–300 ° C) con formación de carbón amorfo finamente disperso , algo similar al carbón activado . [26]
Caracterización
XRD, FTIR, Raman, XPS, AFM, TEM, SEM / EDX, [9] [30] [31] [23] etc. son algunas técnicas comunes para caracterizar las muestras de GO. [32] Los resultados experimentales de grafito / óxido de grafeno se han analizado mediante cálculos en detalle. [33] [34] Dado que la distribución de las funcionalidades del oxígeno en las hojas de GO es polidispersa, se puede utilizar el método de fraccionamiento para caracterizar y separar las hojas de GO sobre la base de la oxidación. [9] Los diferentes métodos de síntesis dan lugar a diferentes tipos de óxido de grafeno. Incluso los diferentes lotes de un método de oxidación similar pueden tener diferencias en sus propiedades debido a variaciones en los procesos de purificación o enfriamiento. [9]
Propiedades de la superficie
También es posible modificar la superficie del óxido de grafeno para cambiar sus propiedades. [31] [35] El óxido de grafeno tiene propiedades superficiales únicas que lo convierten en un material tensioactivo muy bueno que estabiliza varios sistemas de emulsión. [31] [9] El óxido de grafeno permanece en la interfaz de los sistemas de emulsiones debido a la diferencia en la energía superficial de las dos fases separadas por la interfaz. [36] [31]
Relación con el agua
Los óxidos de grafito absorben la humedad proporcionalmente a la humedad y se hinchan en agua líquida. La cantidad de agua absorbida por los óxidos de grafito depende del método de síntesis particular y muestra una fuerte dependencia de la temperatura.
El óxido de grafito Brodie absorbe metanol selectivo de mezclas de agua / metanol en cierto rango de concentraciones de metanol. [38]
Las membranas preparadas a partir de óxidos de grafito (recientemente denominadas membranas de "óxido de grafeno") son herméticas al vacío e impermeables al nitrógeno y al oxígeno, pero son permeables a los vapores de agua. Las membranas también son impermeables a "sustancias de menor peso molecular". La permeación de las membranas de grafito y óxido de grafeno por disolventes polares es posible debido al hinchamiento de la estructura del óxido de grafito. [39] Las membranas en estado hinchado también son permeables a los gases, por ejemplo, helio. Las láminas de óxido de grafeno son químicamente reactivas en agua líquida, lo que las lleva a adquirir una pequeña carga negativa. [37]
La distancia entre capas de óxidos de grafito secos se informó como ~ 6-7 Å pero en agua líquida aumenta hasta 11-13 Å a temperatura ambiente. La expansión de la red se vuelve más fuerte a temperaturas más bajas. La distancia entre capas en NaOH diluido alcanzó el infinito , lo que resultó en la dispersión de óxido de grafito en láminas de óxido de grafeno de una sola capa en solución. El óxido de grafito se puede utilizar como membrana de intercambio catiónico para materiales como las soluciones de KCl, HCl, CaCl2, MgCl2, BaCl2. Las membranas eran permeables por grandes iones alcalinos, ya que pueden penetrar entre las capas de óxido de grafeno. [39]
Aplicaciones
No linealidad óptica
Los materiales ópticos no lineales son de gran importancia para la fotónica y optoelectrónica ultrarrápidas. Recientemente, las gigantescas no linealidades ópticas del óxido de grafeno (GO) han demostrado su utilidad para varias aplicaciones. [40] Por ejemplo, la limitación óptica de GO es indispensable para proteger los instrumentos sensibles del daño inducido por láser. Y la absorción saturable se puede utilizar para compresión de pulsos, bloqueo de modo y conmutación Q. Además, la refracción no lineal (efecto Kerr) es crucial para funcionalidades que incluyen conmutación totalmente óptica, regeneración de señales y comunicaciones ópticas rápidas.
Una de las propiedades más intrigantes y únicas de GO es que sus propiedades eléctricas y ópticas se pueden ajustar dinámicamente manipulando el contenido de grupos que contienen oxígeno a través de métodos de reducción químicos o físicos. La sintonización de las no linealidades ópticas se ha demostrado durante todo el proceso de reducción inducida por láser a través del aumento continuo de la irradiancia del láser y se han descubierto cuatro etapas de diferentes actividades no lineales, que pueden servir como materiales de estado sólido prometedores para nuevos dispositivos funcionales no lineales. [41] También se ha demostrado que las nanopartículas metálicas pueden mejorar en gran medida la no linealidad óptica [42] y la fluorescencia [43] del óxido de grafeno.
Fabricación de grafeno
El óxido de grafito ha despertado mucho interés como posible ruta para la producción y manipulación a gran escala de grafeno , un material con extraordinarias propiedades electrónicas. El óxido de grafito en sí mismo es un aislante, [44] casi un semiconductor , con conductividad diferencial [9] entre 1 y 5 × 10 −3 S / cm a un voltaje de polarización de 10 V. [44] Sin embargo, al ser hidrófilo , el óxido de grafito se dispersa fácilmente en el agua, rompiéndose en escamas macroscópicas, principalmente de una capa de espesor. La reducción química de estas escamas produciría una suspensión de escamas de grafeno. Se argumentó que la primera observación experimental de grafeno fue reportada por Hanns-Peter Boehm en 1962. [45] En este trabajo temprano se demostró la existencia de escamas de óxido de grafeno reducidas en monocapa. La contribución de Boehm fue reconocida recientemente por Andre Geim , ganador del Premio Nobel por la investigación del grafeno. [46]
La reducción parcial se puede lograr tratando el óxido de grafeno suspendido con hidrato de hidracina a 100 ° C durante 24 horas, [22] exponiendo el óxido de grafeno a plasma de hidrógeno durante unos segundos, [44] o mediante la exposición a un fuerte pulso de luz, como el de un flash de xenón . [47] Debido al protocolo de oxidación, múltiples defectos ya presentes en el óxido de grafeno obstaculizan la efectividad de la reducción. Por tanto, la calidad del grafeno obtenida tras la reducción está limitada por la calidad del precursor (óxido de grafeno) y la eficacia del agente reductor. [48] Sin embargo, la conductividad del grafeno obtenido por esta ruta es inferior a 10 S / cm, [47] y la movilidad de la carga está entre 0,1 y 10 cm 2 / Vs. [44] [49] [50] Estos valores son mucho mayores que los del óxido, pero todavía algunos órdenes de magnitud más bajos que los del grafeno prístino. [44] Recientemente, se optimizó el protocolo sintético para el óxido de grafito y se obtuvo óxido de grafeno casi intacto con una estructura de carbono preservada. La reducción de este óxido de grafeno casi intacto funciona mucho mejor y los valores de movilidad de los portadores de carga superan los 1000 cm 2 / Vs para la mejor calidad de las escamas. [51] La inspección con el microscopio de fuerza atómica muestra que los enlaces de oxígeno distorsionan la capa de carbono, creando una rugosidad intrínseca pronunciada en las capas de óxido que persiste después de la reducción. Estos defectos también aparecen en los espectros Raman del óxido de grafeno. [44]
También se pueden producir grandes cantidades de láminas de grafeno mediante métodos térmicos. Por ejemplo, en 2006 se descubrió un método que simultáneamente exfolia y reduce el óxido de grafito por calentamiento rápido (> 2000 ° C / min) a 1050 ° C. A esta temperatura, se libera dióxido de carbono a medida que se eliminan las funcionalidades del oxígeno y separa explosivamente las hojas a medida que sale. [52]
La exposición de una película de óxido de grafito al láser de un DVD LightScribe también ha revelado producir grafeno de calidad a bajo costo. [53]
El óxido de grafeno también se ha reducido a grafeno in situ , utilizando un patrón impreso en 3D de bacterias E. coli manipuladas . [54]
Purificación del agua
Los óxidos de grafito se estudiaron para la desalinización de agua mediante ósmosis inversa a partir de la década de 1960. [55] En 2011 se publicó una investigación adicional. [56]
En 2013, Lockheed Martin anunció su filtro de grafeno Perforene . Lockheed afirma que el filtro reduce los costos de energía de la desalinización por ósmosis inversa en un 99%. Lockheed afirmó que el filtro era 500 veces más delgado que el mejor filtro del mercado, mil veces más fuerte y requiere el 1% de la presión. [57] No se esperaba que el producto se lanzara hasta 2020. [58]
Otro estudio mostró que el óxido de grafito podría diseñarse para permitir el paso del agua, pero retener algunos iones más grandes. [57] Los capilares estrechos permiten una rápida infiltración de agua mono o bicapa. Los laminados multicapa tienen una estructura similar al nácar , que proporciona resistencia mecánica en condiciones libres de agua. El helio no puede atravesar las membranas en condiciones libres de humedad, pero penetra fácilmente cuando se expone a la humedad, mientras que el vapor de agua pasa sin resistencia. Los laminados secos son herméticos al vacío, pero sumergidos en agua, actúan como tamices moleculares, bloqueando algunos solutos. [59]
Un tercer proyecto produjo láminas de grafeno con poros de subnanoscala (0,40 ± 0,24 nm). El grafeno fue bombardeado con iones de galio , que rompen los enlaces de carbono. Grabar el resultado con una solución oxidante produce un agujero en cada punto golpeado por un ion galio. El tiempo transcurrido en la solución oxidante determinó el tamaño medio de los poros. La densidad de poros alcanzó los 5 billones de poros por centímetro cuadrado, al tiempo que conserva la integridad estructural. Los poros permitieron el transporte de cationes en tiempos de oxidación cortos, consistente con la repulsión electrostática de los grupos funcionales cargados negativamente en los bordes de los poros. En tiempos de oxidación más largos, las láminas eran permeables a la sal pero no a las moléculas orgánicas más grandes. [60]
En 2015, un equipo creó un té de óxido de grafeno que en el transcurso de un día eliminó el 95% de los metales pesados en una solución acuosa [61].
Un proyecto colocó átomos de carbono en capas en una estructura de panal, formando un cristal en forma de hexágono que medía aproximadamente 0,1 milímetros de ancho y largo, con orificios subnanométricos. El trabajo posterior aumentó el tamaño de la membrana del orden de varios milímetros. [62]
El grafeno unido a una estructura de soporte de policarbonato fue inicialmente efectivo para eliminar la sal. Sin embargo, se formaron defectos en el grafeno. Rellenar los defectos más grandes con nailon y los defectos pequeños con hafnio metálico seguido de una capa de óxido restauró el efecto de filtración. [62]
En 2016, los ingenieros desarrollaron películas a base de grafeno que pueden filtrar agua sucia / salada alimentada por el sol. Se utilizaron bacterias para producir un material que constaba de dos capas de nanocelulosa . La capa inferior contiene celulosa prístina , mientras que la capa superior contiene celulosa y óxido de grafeno, que absorbe la luz solar y produce calor. El sistema extrae agua desde abajo hacia el material. El agua se difunde hacia la capa superior, donde se evapora y deja los contaminantes. El evaporado se condensa en la parte superior, donde puede ser capturado. La película se produce agregando repetidamente un recubrimiento fluido que se endurece. Las bacterias producen fibras de nanocelulosa con escamas de óxido de grafeno intercaladas. La película es ligera y fácil de fabricar a escala. [63]
Revestimiento
Las películas multicapa ópticamente transparentes hechas de óxido de grafeno son impermeables en condiciones secas. Expuestos al agua (o al vapor de agua), permiten el paso de moléculas por debajo de cierto tamaño. Las películas consisten en millones de escamas apiladas al azar, dejando capilares de tamaño nanométrico entre ellas. El cierre de estos nanocapilares mediante reducción química con ácido yodhídrico crea películas de "óxido de grafeno reducido" (r-GO) que son completamente impermeables a gases, líquidos o productos químicos fuertes de más de 100 nanómetros de espesor. Las placas de vidrio o de cobre cubiertas con una "pintura" de grafeno de este tipo se pueden utilizar como recipientes para ácidos corrosivos. Las películas de plástico recubiertas de grafeno podrían usarse en envases médicos para mejorar la vida útil. [64]
Materiales relacionados
Las escamas de óxido de grafeno dispersas también se pueden tamizar de la dispersión (como en la fabricación de papel ) y presionar para hacer un papel de óxido de grafeno extremadamente fuerte . [14]
El óxido de grafeno se ha utilizado en aplicaciones de análisis de ADN. La gran superficie plana del óxido de grafeno permite la extinción simultánea de múltiples sondas de ADN marcadas con diferentes tintes, proporcionando la detección de múltiples objetivos de ADN en la misma solución. Los avances adicionales en los sensores de ADN basados en óxido de grafeno podrían dar como resultado un análisis de ADN rápido y muy económico. [65] Recientemente, un grupo de investigadores, de la Universidad de L'Aquila (Italia), descubrió nuevas propiedades humectantes del óxido de grafeno reducido térmicamente en vacío ultra alto hasta 900 ° C. Encontraron una correlación entre la composición química de la superficie, la energía libre de la superficie y sus componentes polares y dispersivos, lo que explica las propiedades humectantes del óxido de grafeno y el óxido de grafeno reducido. [66] [67]
Electrodo de batería recargable flexible
Se ha demostrado que el óxido de grafeno es un material ánodo de batería independiente y flexible para baterías de iones de litio [68] y de iones de sodio a temperatura ambiente . [69] [70] También se está estudiando como un agente conductor de alta superficie en cátodos de baterías de litio-azufre. [71] Los grupos funcionales del óxido de grafeno pueden servir como sitios para la modificación química y la inmovilización de especies activas. Este enfoque permite la creación de arquitecturas híbridas para materiales de electrodos. Ejemplos recientes de esto se han implementado en baterías de iones de litio, que son conocidas por ser recargables a costa de límites de capacidad bajos. En investigaciones recientes se ha demostrado que los compuestos a base de óxido de grafeno funcionalizados con óxidos y sulfuros metálicos inducen un rendimiento mejorado de la batería. Esto se ha adaptado de manera similar a aplicaciones en supercondensadores, ya que las propiedades electrónicas del óxido de grafeno le permiten eludir algunas de las restricciones más frecuentes de los electrodos típicos de óxido de metal de transición. Se están desarrollando investigaciones en este campo, con exploración adicional de métodos que implican el dopaje con nitrógeno y el ajuste del pH para mejorar la capacitancia. [72] Además, actualmente se está explorando la investigación de láminas de óxido de grafeno reducido, que muestran propiedades electrónicas superiores similares al grafeno puro. Las aplicaciones reducidas de óxido de grafeno aumentan en gran medida la conductividad y la eficiencia, al tiempo que sacrifican cierta flexibilidad e integridad estructural. [73] [74] [75]
Lente de óxido de grafeno
La lente óptica ha desempeñado un papel fundamental en casi todas las áreas de la ciencia y la tecnología desde su invención hace unos 3000 años. Con los avances en las técnicas de micro y nanofabricación, siempre se ha solicitado la miniaturización continua de las lentes ópticas convencionales para diversas aplicaciones, como comunicaciones, sensores, almacenamiento de datos y una amplia gama de otras industrias impulsadas por la tecnología y por el consumidor. Específicamente, los tamaños cada vez más pequeños, así como los espesores más delgados de microlentes, son muy necesarios para ópticas de sublongitud de onda o nanoópticas con estructuras extremadamente pequeñas, particularmente para aplicaciones visibles e infrarrojas cercanas. Además, a medida que se reduce la escala de distancia para las comunicaciones ópticas, los tamaños de las características requeridas de las microlentes se reducen rápidamente.
Recientemente, las excelentes propiedades del óxido de grafeno recién descubierto proporcionan soluciones novedosas para superar los desafíos de los dispositivos de enfoque plano actuales. Específicamente, la modificación gigante del índice de refracción (tan grande como 10 ^ -1), que es un orden de magnitud más grande que los materiales actuales, entre el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO) se ha demostrado manipulando dinámicamente su contenido de oxígeno. utilizando el método de escritura láser directa (DLW). Como resultado, el grosor total de la lente se puede reducir potencialmente en más de diez veces. Además, se encuentra que la absorción óptica lineal de GO aumenta a medida que se profundiza la reducción de GO, lo que da como resultado un contraste de transmisión entre GO y rGO y, por lo tanto, proporciona un mecanismo de modulación de amplitud. Además, tanto el índice de refracción como la absorción óptica se encuentran sin dispersión en un amplio rango de longitudes de onda desde el visible hasta el infrarrojo cercano. Por último, la película GO ofrece una capacidad de creación de patrones flexible mediante el método DLW sin máscara, que reduce la complejidad y los requisitos de fabricación.
Como resultado, recientemente se ha realizado una nueva lente plana ultrafina en una película delgada GO utilizando el método DLW. [76] La clara ventaja de la lente plana GO es que la modulación de fase y la modulación de amplitud se pueden lograr simultáneamente, lo que se atribuye a la modulación del índice de refracción gigante y la absorción óptica lineal variable de GO durante su proceso de reducción, respectivamente. Debido a la capacidad mejorada de modelado del frente de onda, el grosor de la lente se reduce a una escala de sublongitud de onda (~ 200 nm), que es más delgada que todas las lentes dieléctricas actuales (escala de ~ µm). Las intensidades de enfoque y la distancia focal se pueden controlar de manera efectiva variando las potencias del láser y los tamaños de las lentes, respectivamente. Al utilizar un objetivo de alta NA de inmersión en aceite durante el proceso DLW, se ha logrado un tamaño de característica de fabricación de 300 nm en la película GO y, por lo tanto, el tamaño mínimo de la lente se ha reducido a 4.6 µm de diámetro, que es la micro lente plana más pequeña y solo se puede realizado con metasuperficie por FIB. A partir de entonces, la distancia focal se puede reducir a tan solo 0,8 µm, lo que potencialmente aumentaría la apertura numérica (NA) y la resolución de enfoque.
Se ha demostrado experimentalmente el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de 320 nm en el punto focal mínimo utilizando un haz de entrada de 650 nm, que corresponde a la apertura numérica efectiva (NA) de 1,24 (n = 1,5), la NA más grande de micro lentes actuales. Además, la capacidad de enfoque de banda ultra ancha desde 500 nm hasta 2 µm se ha logrado con la misma lente plana, lo que sigue siendo un gran desafío para enfocar en rango infrarrojo debido a la disponibilidad limitada de materiales y tecnología de fabricación adecuados. Más importante aún, las películas delgadas GO sintetizadas de alta calidad pueden integrarse de manera flexible en varios sustratos y fabricarse fácilmente utilizando el método DLW de un solo paso en un área grande a un costo y potencia bajos comparables (~ nJ / pulso), lo que eventualmente hace que el GO lentes planas prometedoras para diversas aplicaciones prácticas.
Conversión de energía
La división fotocatalítica del agua es un proceso de fotosíntesis artificial en el que el agua se disocia en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), utilizando luz artificial o natural. Actualmente se están investigando métodos como la separación fotocatalítica del agua para producir hidrógeno como fuente de energía limpia. La movilidad superior de los electrones y la alta área de superficie de las láminas de óxido de grafeno sugieren que puede implementarse como un catalizador que cumpla con los requisitos de este proceso. Específicamente, los grupos funcionales de composición del óxido de grafeno de epóxido (-O-) e hidróxido (-OH) permiten un control más flexible en el proceso de división del agua. Esta flexibilidad se puede utilizar para adaptar la banda prohibida y las posiciones de la banda que se enfocan en la división del agua fotocatalítica. Experimentos de investigación recientes han demostrado que la actividad fotocatalítica del óxido de grafeno que contiene una banda prohibida dentro de los límites requeridos ha producido resultados de división efectivos, particularmente cuando se usa con una cobertura del 40-50% en una proporción de hidróxido: epóxido de 2: 1. Cuando se utilizan en materiales compuestos con CdS (un catalizador típico utilizado en la separación de agua fotocatalítica), se ha demostrado que los nanocompuestos de óxido de grafeno exhiben una mayor producción de hidrógeno y una mayor eficiencia cuántica.
Almacenamiento de hidrógeno
También se está explorando el óxido de grafeno por sus aplicaciones en el almacenamiento de hidrógeno. Las moléculas de hidrógeno se pueden almacenar entre los grupos funcionales basados en oxígeno que se encuentran en toda la hoja. Esta capacidad de almacenamiento de hidrógeno se puede manipular aún más modulando la distancia entre capas entre las hojas, así como haciendo cambios en el tamaño de los poros. La investigación en la decoración de metales de transición en sorbentes de carbono para mejorar la energía de unión de hidrógeno ha llevado a experimentos con titanio y magnesio anclados a grupos hidroxilo, lo que permite la unión de múltiples moléculas de hidrógeno.
Ver también
- Oxocarbono
Referencias
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