Khoa học tự nhiên

Việc bổ sung thêm ôxy giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của graphene (19/09/2014)

Cacbon ở dạng graphene có hình dạng là một tấm phẳng kích thước hai chiều gốm một lớp các nguyên tử cacbon kết nối mạng gồm sáu cạnh, ở hình dạng này cacbon rất chắc, mềm dẻo và có tính chất dẫn điện tuyệt vời. Các đặc tính đó làm cho loại vật liệu này rất hấp dẫn trong các ứng dụng đa dạng như điện tử, khử muối và tích trữ năng lượng. Việc bổ sung các nguyên tố khác lên bề mặt graphene có thể làm thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu, mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng.

Nguyên tử ôxy (màu đỏ) làm cầu nối giữa hai nguyên tử cacbon trong graphene tự do (phải), nhưng lại thiên về cấu hình enolate (trái) khi graphene được đặt trên chất nền kim loại (màu xanh).

Yousoo Kim, Jaehoon Jung và các cộng sự thuộc Phòng thí nghiệm Khoa học giao diện và bề mặt, RIKEN (Viện Nghiên cứu hóa học và vật lý Nhật Bản) đã thực hiện các tính toán lý thuyết cho thấy việc bổ sung thêm ôxy vào graphene trên các chất nền kim loại có thể tăng cường chức năng hóa.

Để nghiên cứu chức năng hóa của graphene sử dụng ôxy, các nhà nghiên cứu đã tính lượng năng lượng hấp thụ của những sắp xếp các nguyên tử ôxy trên graphene tự do, graphite (graphene đa lớp) hay của graphene trên chất nền đồng kim loại.

Khi được đưa vào graphene, ôxy thường tạo thành các cầu nối giữa các nguyên tử cacbon lân cận để tạo ra một cấu trúc được gọi là epoxit, cấu trúc này là sắp xếp ổn định nhất đối với cả graphene và graphite. Tuy nhiên, đối với graphene trên chất nền là đồng kim loại, mỗi một nguyên tử ôxy thiên về liên kết với một nguyên tử cacbon đơn nằm ở bên trên lỗ hổng trong mạng mắt lưới của kim loại đồng, tạo thành một cấu trúc được gọi là enolate (thân hạch).

Cấu hình enolate trong graphene tự do thường gây mất ổn định cho các nguyên tử cacbon lân cận. Tuy nhiên, do chất nền là đồng kim loại, mối tương tác mạnh giữa đồng và cacbon đã dẫn đến làm tăng tính ổn định. Điều này mang lại khả năng kiểm soát được cấu trúc hóa học và cho phép thiết kế các vật liệu chức năng.

Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc thay đổi từ dạng epoxide đến cấu hình enolate chỉ mất một lượng năng lượng nhỏ, điều đó cho thấy sự phân bố đồng nhất trong cấu hình enolate là có thể tạo ra được bằng cách xử lý ở nhiệt độ tương đối thấp.

Từ khả năng điều chỉnh sự phân bố trong cấu hình enolate theo yêu cầu và sự liên kết của các nguyên tử oxy bằng cách chuyển đổi từ trạng thái epoxit sang enolate các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh được các tính chất điện tử của vật liệu. Sự tồn tại của graphene cấu hình enolate có thể mở ra cách tiếp cận mới trong chế tạo các thiết bị điện tử graphene, mở ra nhiều cơ hội để phát triển một lĩnh vực hóa học graphene mới, chẳng hạn như các chất xúc tác gốc graphene.

Cấu hình enolate được phát hiện còn ổn định hơn khi liên kết với graphene trên chất nền niken, điều đó có nghĩa là các tính chất của graphene oxy hóa cũng có thể kiểm soát được bằng cách lựa chọn chất nền kim loại. Theo các nhà nghiên cứu cho biết, graphene enolate có thể kết hợp trên hầu hết các chất nền kim loại, hiện nay họ đang có kế hoạch hiện thực hóa bằng thực nghiệm cấu trúc graphene enolate trên một chất nền kim loại sử dụng kỹ thuật kính hiển vi quét đường hầm. 

Nguồn: www.vista.vn (Theo RIKEN Research)