Stoccare l’ossido di grafene in modo più efficiente

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Un team di ricerca del Skolkovo Institute of Science and Technology ha scoperto che le condizioni migliori per stoccare l’ossido di grafene sono basse temperature e assenza di luce.

Uno studio del Skolkovo Institute of Science and Technology ha stabilito che le condizioni ottimali per conservare l’ossido di grafene sono basse temperature e l’assenza di luce. L’articolo è stato pubblicato sulla rivista Surfaces and Interfaces.

L’ossido di grafene è un materiale promettente che può essere utilizzato per la produzione di materiali compositi, sensori di gas e in molti altri campi. Ottenere grafene puro in grandi quantità infatti è un processo complesso e costoso, quindi viene spesso sostituito con derivati, ad esempio l’ossido di grafene (GO) che un’elevata resistenza elettrica, bassa conduttività termica ed elevata solubilità.

L’ossido di grafene non è ancora stato ampiamente utilizzato nell’industria a causa della sua eterogeneità chimica, dei disturbi strutturali che si verificano a causa dell’ambiente chimico aggressivo durante la sintesi e dell’invecchiamento naturale del materiale sotto l’influenza ambientale.

“La struttura dell’ossido di grafene prodotto chimicamente è molto difficile da riprodurre, perché è sempre diversa. Inoltre, dopo un po’, inizia a degradarsi e le proprietà dell’ossido stesso cambiano. Se, dopo la produzione, il materiale viene inviato in un altro luogo, un altro istituto o paese, arriverà in uno stato completamente diverso. E anche quando le provette sono semplicemente lì in laboratorio, cambiano anche le proprietà del materiale. Abbiamo deciso di condurre uno studio completo sulle migliori condizioni in cui conservare i campioni” afferma Dmitry Kvashnin, coautore dello studio e capo-ricercatore scientifico presso l’Istituto Emanuel di fisica biochimica dell’Accademia russa delle scienze.

Campioni diversi a confronto 

Il team della Skoltech ha prodotto diversi campioni di ossido di grafene, identici nella composizione chimica e nel metodo di produzione, e li ha posizionati in condizioni diverse: a temperatura ambiente e in frigorifero, così come alla luce e senza luce.

“Per 150 giorni, abbiamo osservato cambiamenti nelle proprietà dei campioni. Abbiamo esaminato come cambiano gli spettri di assorbimento, gli spettri di radiazione fotoelettronica a raggi X, l’indice di idrogeno e la viscosità delle sospensioni. L’analisi completa di queste caratteristiche ci ha permesso di ampliare la nostra comprensione dei processi che si verificano sulla superficie dell’ossido di grafene, portando a cambiamenti strutturali” afferma la prima autrice dello studio, Julia Bondareva, ricercatrice scientifica presso il Materials Center di Skoltech.

I ricercatori hanno scoperto che l’ossido di grafene si conserva meglio al freddo e senza esposizione alla luce. In questo caso, non c’è riduzione, ovvero i gruppi contenenti ossigeno non vengono rimossi dalla superficie dell’ossido di grafene e non si trasforma di nuovo in grafene. E a temperatura ambiente e alla luce, si riprende più velocemente. Anche cambiando colore della soluzione, diventa più scura.

“Per scoprire quali cambiamenti possono verificarsi nella struttura dell’ossido di grafene e perché precipita nel tempo, abbiamo utilizzato la modellazione atomistica del supercomputer. Utilizzando calcoli chimici quantistici, abbiamo dimostrato che nel loro stato più stabile, i gruppi di ossigeno sulla superficie dell’ossido di grafene tendono a raggrupparsi. Questo differisce dalla maggior parte dei modelli utilizzati in letteratura, che presuppongono una distribuzione casuale uniforme dell’ossigeno. Il raggruppamento dei gruppi di ossigeno che abbiamo mostrato, da un lato, dovrebbe portare a un cambiamento negli spettri ottici e, dall’altro, alla formazione di regioni di grafene puro in quelle aree da cui l’ossigeno è migrato” spiega Nikita Orekhov, coautore del lavoro, vicedirettore del Laboratorio di progettazione informatica dei materiali al MIPT, dottorato di ricerca in fisica e matematica.

Poiché il grafene è un materiale estremamente idrofobico, tali aree tenderanno ad attaccarsi tra loro per ridurre al minimo il contatto con l’acqua. Questo è esattamente ciò che porta alla precipitazione osservata nell’esperimento.

I risultati dimostrano che si dovrebbe prestare particolare attenzione alle condizioni di conservazione dei materiali e alle loro proprietà in ogni fase della sintesi.

Foto credit: Surfaces and Interfaces (2024). DOI: 10.1016/j.surfin.2024.104842

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