اکسید گرافن (GO) ورق تک لایه ای است که از اکسید گرافیت از طریق فرآیند لایه برداری مکانیکی یا حرارتی به دست می آید. با گروه های حاوی اکسیژن مانند کربونیل، اپوکسید، هیدروکسیل و کربوکسیل پوشانده شده است. خواص شیمیایی و فیزیکی عالی GO در اپتیک، الکترونیک و بیوتکنولوژی و سایر موارد کاربرد دارد. [1].

GO معمولاً توسط یک فرآیند شیمیایی به نام روش هامرز از طریق اکسیداسیون گرافیت سنتز می شود. کاربردهای امیدوارکننده زیادی در علم نانو و فناوری نانو، حس زیستی، تولید انرژی و همچنین در زیست پزشکی به عنوان یک سیستم دارورسانی دارد. [2].

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• تفاوت گرافن و اکسید گرافن
• خواص مختلف اکسید گرافن
• کاربردهایی که در آن از اکسید گرافن استفاده می شود

گرافن و اکسید گرافن

گرافن تک لایه ای از گرافیت است که از اتم های کربن تشکیل شده است که در یک شبکه شش ضلعی لانه زنبوری به هم متصل شده اند. این ماده نازک و شفاف به عنوان یکی از سبک‌ترین، قوی‌ترین و رساناترین مواد در جهان به شمار می‌رود که آن را به یک ماده ایده‌آل برای کاربردهای مختلف مانند سلول‌های خورشیدی، الکترونیک و خازن تبدیل می‌کند. [3].

از طرف دیگر، اکسید گرافن یک ماده لایه لایه تک اتمی است که به راحتی در حلال ها پخش می شود. این می تواند به طور بالقوه به عنوان واسطه ای برای تولید انبوه گرافن از طریق فرآیندهای کاهش (یعنی حذف گروه های حاوی اکسیژن) استفاده شود. [3].

خواص اکسید گرافن

خواص حرارتی و الکترونیکی

اکسید گرافن معمولاً ناپایدار است و هنگام گرم شدن به دلیل آزاد شدن آب جذب شده تجزیه می شود. با این حال، هنگامی که گروه های حاوی اکسیژن حذف می شوند، پایداری حرارتی به تدریج افزایش می یابد [1].

خواص الکترونیکی اکسید گرافن نیز ممکن است از طریق کنترل پارامترهای رسوب و کاهش تنظیم شود. فیلم های GO ممکن است نیمه فلزی، عایق یا نیمه رسانا ساخته شوند، همگی با حفظ شفافیت نوری [1].

خواص نوری

اکسید گرافن معمولاً شفاف با عبور نوری بالا در ناحیه طیف مرئی است. با این حال، این انتقال نوری را می توان از طریق تغییر ضخامت فیلم و میزان کاهش تنظیم کرد. به عنوان مثال، یک فیلم اکسید گرافن دارای طول موج 550 نانومتر و مقدار عبور نوری 96 درصد است که از سوسپانسیون های 0.5 میلی گرم بر میلی لیتر تولید شود. کاهش بیشتر طول موج به کمتر از 30 نانومتر منجر به یک ماده نیمه شفاف می شود در حالی که یک اکسید گرافن نازک اتمی می تواند بسیار شفاف باشد. [1].

ویژگی های مکانیکی

در جدول زیر خواص مکانیکی کاغذهای اکسید گرافن نشان داده شده است که با دوپینگ یا کامپوزیت تنظیم می شوند. کاغذهای اکسید گرافن لایه هایی به ضخامت میکرومتر هستند که از طریق فیلتراسیون یا تبخیر آهسته محلول اکسید گرافن به دست می آیند. [1].

خواص مکانیکی کاغذهای اکسید گرافن اصلاح نشده و اصلاح شده (GO). [1]

مواد	حداکثر مدول یانگ، EE (GPA)*	فشار شکستگی، ε (%)	قدرت ذاتی، σ (MPa)
کاغذ اصلاح نشده	1.1 ± 25.6	0.03 ± 0.40	5.3 ± 81.9
شستشو با کلسیم اصلاح شده کاغذ	28.1 ± 1.2	0.06 ± 0.50	125.8 ± 13.6
همانطور که آماده شده است کاغذ اصلاح شده با کلسیم	1.5 ± 21.5	0.41 ± 0.15	21.6 ± 75.4
منیزیم شستشو شده اصلاح شده کاغذ	1.8 ± 27.9	0.08 ± 0.33	16.5 ± 80.6
کاغذ اصلاح شده با پلی آلی آمین (PAA).	2.7 ± 33.3	0.08 ± 0.32	22.4 ± 91.9
همانطور که آماده شده است کاغذ اصلاح شده با منیزیم	24.6 ± 1.4	0.04 ± 0.40	14.2 ± 87.9

*EE حداکثر مدول یانگ در ناحیه خطی است (σ=10 مگاپاسکال)

کاربردهای اکسید گرافن

اکسید گرافن را می توان در کاربردهای مختلفی از جمله موارد زیر استفاده کرد [1,3,4]:

• الکترونیک – نمونه ها شامل هادی های شفاف، دستگاه های اثر میدانی، مواد الکترونیکی انعطاف پذیر و حسگرهای الکتریکی است.
• تصفیه آب – غشاهای اکسید گرافن دارای نفوذپذیری و پایداری بالای آب هستند و آنها را به ماده ای امیدوارکننده برای کاربرد تصفیه آب تبدیل می کند.
• اپتیک – ویژگی‌های نوری قابل تنظیم GOs منجر به کاربردهای امیدوارکننده‌ای در زمینه خاموش کردن فلورسانس، پراکندگی رامان تقویت‌شده سطحی، سنجش/تشخیص نوری و مواد نوری غیرخطی شده است.
• اپتوالکترونیک – مانند دستگاه های فتوولتائیک و دستگاه های ساطع کننده نور.
• مواد الکترود – GO ها سطح بالایی دارند که آنها را برای استفاده به عنوان ماده الکترود برای خازن ها، سلول های خورشیدی و باتری ها مناسب می کند.
• تقویت کننده – اکسید گرافن را می توان به راحتی با سایر مواد کامپوزیتی ترکیب کرد تا خواص آنها مانند رسانایی، کشش و استحکام کششی را بهبود بخشد.
• کاربردهای زیستی – مانند حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی و بیوسنسورهای نوری، که در آن از GO برای تشخیص DNA، آنزیم ها و سایر مولکول های زیستی با گزینش پذیری و حساسیت بالا استفاده می شود. اکسید گرافن همچنین ممکن است از طریق خاصیت فلورسنت در تشخیص بیماری استفاده شود.
• حذف آلاینده های هوا، عملکرد زیستی و ابرخازنها بین دیگران.

با حسن نیت از آزمایشگاه ملی Oak Ridge و موسسه پلی تکنیک Rensselaer. تصویر توسط: Adrien Nicolaï/RPI.

[1] جی. ژائو، ال. لیو، اف. لی، اکسید گرافن: فیزیک و کاربردها، اسپرینگر، 2015.

[2] B. Paulchamy، G. Arthl، BD Lignesh، “رویکردی ساده برای سنتز گام به گام نانومواد اکسید گرافن“ J Nanomed Nanotechnol، 6، 1، 2015.

[3] “اکسید گرافن: مقدمه و اخبار بازار”، 2019 [Online] موجود در: https://www.graphene-info.com/graphene-oxide [Accessed on 04.12.2019]

[4] AT Smith، AM LaChance، S. Zeng، B. Liu، L. Sun، “سنتز، خواص و کاربردهای اکسید گرافن/اکسید گرافن احیا شده و نانوکامپوزیت آنها” علم نانو مواد، 1، 1، صفحات 31-47، 2019.