Pesquisa revela melhores condições para armazenar óxido de grafeno

Uma equipe de pesquisa da Skoltech e outras organizações científicas conduziu um estudo para determinar quais condições são mais adequadas para armazenar óxido de grafeno, um material promissor que pode ser usado na fabricação de materiais compostos, sensores de gás e em muitos outros campos.

Os resultados mostram que as condições mais ótimas para o óxido de grafeno, quando suas propriedades não mudam, são baixas temperaturas e falta de luz. O artigo foi publicado no Superfícies e Interfaces jornal.

O grafeno tem propriedades únicas e é amplamente usado em eletrônica, armazenamento de energia e optoeletrônica. Obter grafeno puro em grandes quantidades não é fácil e caro, então ele é frequentemente substituído por derivados — por exemplo, óxido de grafeno (GO). Ele tem alta resistência elétrica, baixa condutividade térmica e alta solubilidade.

O óxido de grafeno ainda não tem sido amplamente utilizado na indústria devido à sua heterogeneidade química, aos distúrbios estruturais que ocorrem devido ao ambiente químico agressivo durante a síntese, bem como ao envelhecimento natural do material sob influência ambiental.

“A estrutura do óxido de grafeno fabricado quimicamente é muito difícil de reproduzir — ela sempre será diferente. E depois de um tempo, ela começa a se degradar, e as propriedades do próprio óxido mudam”, disse Dmitry Kvashnin, coautor do estudo, Doutor em Ciências em Física e Matemática, docente, Cientista Líder de Pesquisa no Instituto Emanuel de Física Bioquímica da Academia Russa de Ciências.

“Se, após a fabricação, o material for enviado para outro lugar — outro instituto ou país, ele virá em um estado completamente diferente. E mesmo quando os tubos de ensaio estão lá no laboratório, as propriedades do material também mudam. Decidimos conduzir um estudo abrangente das melhores condições para armazenar amostras.”

A equipe produziu diversas amostras de óxido de grafeno, idênticas na composição química e no método de produção, e as colocou em diferentes condições: em temperatura ambiente e na geladeira, bem como na luz e sem ela.

“Por 150 dias, observamos mudanças nas propriedades das amostras. Observamos como os espectros de absorção, espectros de radiação de fotoelétrons de raios X, índice de hidrogênio e viscosidade das suspensões mudam. A análise abrangente dessas características nos permitiu expandir nossa compreensão dos processos que ocorrem na superfície do óxido de grafeno, levando a mudanças estruturais”, disse a primeira autora do estudo, Julia Bondareva, uma cientista pesquisadora do Materials Center of Skoltech.

“Descobrimos que o óxido de grafeno é melhor armazenado no frio e sem exposição à luz. Nesse caso, não há redução, ou seja, os grupos contendo oxigênio não são removidos da superfície do óxido de grafeno, e ele não se transforma novamente em grafeno. E em temperatura ambiente e na luz, ele se recupera mais rápido. Podemos observar que, mesmo pela mudança de cor da solução, ela fica mais escura.”

“Para descobrir quais mudanças podem ocorrer na estrutura do óxido de grafeno e por que ele precipita ao longo do tempo, usamos modelagem atomística de supercomputador. Usando cálculos químicos quânticos, mostramos que em seu estado mais estável, grupos de oxigênio na superfície do óxido de grafeno tendem a se agrupar”, explicou Nikita Orekhov, coautora do trabalho, vice-chefe do Laboratório de Design Computacional de Materiais do MIPT, Ph.D. em Física e Matemática.

“Isso difere da maior parte dos modelos usados ​​na literatura, que assumem uma distribuição aleatória uniforme de oxigênio. O agrupamento de grupos de oxigênio que mostramos, por um lado, deve levar a uma mudança nos espectros ópticos e, por outro, à formação de regiões de grafeno puro nas áreas de onde o oxigênio ‘migrou’.

“Como o grafeno é um material extremamente hidrofóbico, tais áreas tenderão a se unir para minimizar o contato com a água. É exatamente isso que leva à precipitação observada no experimento.”

Os resultados comprovam que atenção especial deve ser dada às condições de armazenamento dos materiais e às suas propriedades em cada estágio da síntese, observaram os autores.