Un nuevo estudio muestra que la disponibilidad de hidrógeno juega un papel importante en la determinación de la composición química y estructural del óxido de grafeno. un material que tiene usos potenciales en nanoelectrónica, sistemas nanoelectromecánicos, sintiendo composicion, óptica, catálisis y almacenamiento de energía.

El estudio también encontró que después de que se produce el material, sus propiedades estructurales y químicas continúan evolucionando durante más de un mes como resultado de las continuas reacciones químicas con el hidrógeno.

Comprender las propiedades del óxido de grafeno y cómo controlarlas es importante para darse cuenta de las posibles aplicaciones del material. Para que sea útil para la nanoelectrónica, por ejemplo, los investigadores deben inducir tanto una banda prohibida electrónica como un orden estructural en el material. Controlar la cantidad de hidrógeno en el óxido de grafeno puede ser la clave para manipular las propiedades del material.

"El óxido de grafeno es un material muy interesante porque su mecánica, Las propiedades ópticas y electrónicas pueden controlarse mediante tratamientos térmicos o químicos para alterar su estructura. "dijo Elisa Riedo, profesor asociado en la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. "Pero antes de que podamos obtener las propiedades que queremos, necesitamos comprender los factores que controlan la estructura del material. Este estudio proporciona información sobre el papel del hidrógeno en la reducción del óxido de grafeno a temperatura ambiente ".

La investigación, que estudió el óxido de grafeno producido a partir del grafeno epitaxial, fue informado el 6 de mayo en la revista Materiales de la naturaleza . La investigación fue patrocinada por la National Science Foundation, el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC) en Georgia Tech, y por el Departamento de Energía de EE. UU.

El óxido de grafeno se forma mediante el uso de procesos químicos y térmicos que añaden principalmente dos grupos funcionales que contienen oxígeno a la red de átomos de carbono que componen el grafeno:las especies epóxido e hidroxilo. Los investigadores de Georgia Tech comenzaron sus estudios con grafeno expitaxial multicapa sobre una oblea de carburo de silicio. una técnica iniciada por Walt de Heer y su grupo de investigación en Georgia Tech. Sus muestras incluían un promedio de diez capas de grafeno.

Después de oxidar las películas delgadas de grafeno utilizando el método establecido de Hummers, los investigadores examinaron sus muestras utilizando espectroscopia de fotoemisión de rayos X (XPS). Durante unos 35 días, notaron que el número de grupos funcionales epóxido disminuía mientras que el número de grupos hidroxilo aumentaba ligeramente. Después de unos tres meses, la relación de los dos grupos finalmente alcanzó el equilibrio.

"Descubrimos que el material cambiaba por sí solo a temperatura ambiente sin ningún estímulo externo, "dijo Suenne Kim, becario postdoctoral en el laboratorio de Riedo. "El grado en que era inestable a temperatura ambiente fue sorprendente".

Curioso por saber qué podría estar causando los cambios, Riedo y Kim le llevaron las medidas a Angelo Bongiorno, un profesor asistente que estudia química de materiales computacionales en la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech. Bongiorno y el estudiante de posgrado Si Zhou estudiaron los cambios utilizando la teoría funcional de la densidad, lo que sugirió que el hidrógeno podría combinarse con el oxígeno en los grupos funcionales para formar agua. Eso favorecería una reducción de los grupos epóxido, que es lo que Riedo y Kim estaban viendo experimentalmente.

"El grupo de Elisa estaba haciendo mediciones experimentales, mientras hacíamos cálculos teóricos, ", Dijo Bongiorno." Combinamos nuestra información para llegar a la idea de que tal vez había hidrógeno involucrado ".

Las sospechas se confirmaron experimentalmente, tanto por el grupo Georgia Tech como por un equipo de investigación de la Universidad de Texas en Dallas. Esta información sobre el papel del hidrógeno en la determinación de la estructura del óxido de grafeno sugiere una nueva forma de controlar sus propiedades. Señaló Bongiorno.

"Durante la síntesis del material, potencialmente podríamos usar esto como una herramienta para cambiar la estructura, ", dijo." Al comprender cómo usar el hidrógeno, podríamos agregarlo o quitarlo, permitiéndonos ajustar la distribución relativa y la concentración de las especies de epóxido e hidroxilo que controlan las propiedades del material ".

Riedo y Bongiorno reconocen que su material, basado en grafeno epitaxial, puede ser diferente del óxido producido a partir del grafeno exfoliado. La producción de óxido de grafeno a partir de escamas del material implica un procesamiento adicional, incluyendo disolver en una solución acuosa y luego filtrar y depositar el material sobre un sustrato. Pero creen que el hidrógeno juega un papel similar en la determinación de las propiedades del óxido de grafeno exfoliado.

"Probablemente tengamos una nueva forma nueva de óxido de grafeno, uno que pueda ser más útil comercialmente, aunque los mismos procesos también deberían estar sucediendo dentro de la otra forma de óxido de grafeno, "dijo Bongiorno.

Los siguientes pasos son comprender cómo controlar la cantidad de hidrógeno en el óxido de grafeno epitaxial, y qué condiciones pueden ser necesarias para afectar las reacciones con los dos grupos funcionales. Por último, que puede proporcionar una forma de abrir una banda prohibida electrónica y obtener simultáneamente un material basado en grafeno con características de transporte de electrones comparables a las del grafeno prístino.

"Al controlar las propiedades del óxido de grafeno a través de esta reducción química y térmica, podemos llegar a un material que permanece lo suficientemente cerca del grafeno en estructura para mantener el orden necesario para las excelentes propiedades electrónicas, mientras tiene la banda prohibida necesaria para crear transistores, ", Dijo Riedo." Podría ser que el óxido de grafeno sea la forma de llegar a ese tipo de material ".