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Óxido de grafito

Estructura propuesta en 1998 [1] con grupos funcionales. A: puentes epoxi , B: grupos hidroxilo , C: grupos carboxilo por pares .

El óxido de grafito (GO), anteriormente llamado óxido grafítico o ácido grafítico , es un compuesto de carbono , oxígeno e hidrógeno en proporciones variables, que se obtiene tratando el grafito con oxidantes fuertes y ácidos para la resolución de metales extra . El producto a granel máximamente oxidado es un sólido amarillo con una relación C:O entre 2,1 y 2,9, que conserva la estructura de capas del grafito pero con un espaciado mucho mayor e irregular. [2] [3]

El material a granel se dispersa espontáneamente en soluciones básicas o puede dispersarse mediante sonicación en disolventes polares para producir láminas monomoleculares, conocidas como óxido de grafeno por analogía con el grafeno , la forma monocapa del grafito. [4] Las láminas de óxido de grafeno se han utilizado para preparar materiales resistentes similares al papel, membranas, películas delgadas y materiales compuestos. Inicialmente, el óxido de grafeno atrajo un gran interés como posible intermediario para la fabricación de grafeno. El grafeno obtenido por reducción de óxido de grafeno todavía tiene muchos defectos químicos y estructurales, lo que supone un problema para algunas aplicaciones pero una ventaja para otras. [5] [6]

Historia y preparación

El óxido de grafito fue preparado por primera vez por el químico de Oxford Benjamin C. Brodie en 1859 tratando el grafito con una mezcla de clorato de potasio y ácido nítrico fumante . [7] Informó sobre la síntesis de "láminas similares al papel" con 0,05 mm de espesor. En 1957, Hummers y Offeman desarrollaron un proceso más seguro, rápido y eficiente llamado método de Hummers , utilizando una mezcla de ácido sulfúrico H 2 SO 4 , nitrato de sodio NaNO 3 y permanganato de potasio KMnO 4 , que todavía se usa ampliamente, a menudo con algunas modificaciones. [2] [8] [9] El GO monocapa más grande con una estructura de carbono altamente intacta y concentraciones mínimas de impurezas residuales se puede sintetizar en recipientes inertes utilizando reactivos y solventes de alta pureza. [10]

Los óxidos de grafito demuestran una variación considerable de propiedades según el grado de oxidación y el método de síntesis. [11] [12] Por ejemplo, el punto de temperatura de exfoliación explosiva es generalmente mayor para el óxido de grafito preparado por el método Brodie en comparación con el óxido de grafito Hummers; la diferencia es de hasta 100 grados con las mismas velocidades de calentamiento. [13] Las propiedades de hidratación y solvatación de los óxidos de grafito Brodie y Hummers también son notablemente diferentes. [14]

Recientemente, se ha utilizado una mezcla de H 2 SO 4 y KMnO 4 para cortar nanotubos de carbono abiertos a lo largo, lo que da como resultado cintas planas microscópicas de grafeno , de unos pocos átomos de ancho, con los bordes "tapados" por átomos de oxígeno (=O) o grupos hidroxilo. (-OH). [15]

El óxido de grafito (grafeno) también se ha preparado utilizando un método de síntesis "de abajo hacia arriba" (método Tang-Lau) en el que la única fuente es la glucosa; el proceso es más seguro, más simple y más respetuoso con el medio ambiente en comparación con el tradicionalmente "de arriba a abajo". "método abajo", en el que intervienen oxidantes fuertes. Otra ventaja importante del método Tang-Lau es el control del espesor, desde monocapa hasta multicapa, ajustando los parámetros de crecimiento. [dieciséis]

Estructura

La estructura y propiedades del óxido de grafito dependen del método de síntesis particular y del grado de oxidación. [11] [12] Por lo general, conserva la estructura de capas del grafito original, pero las capas están combadas y el espacio entre capas es aproximadamente dos veces mayor (~0,7 nm) que el del grafito. Estrictamente hablando, "óxido" es un nombre incorrecto pero históricamente establecido. Además de los grupos epóxido (átomos de oxígeno que forman puentes), otros grupos funcionales encontrados experimentalmente son: [11] carbonilo (C=O), hidroxilo (-OH), fenol y para los óxidos de grafito preparados usando ácido sulfúrico (por ejemplo, método de Hummers) alguna impureza de azufre. se encuentra a menudo, por ejemplo, en forma de grupos organosulfato. [17] [18] [19] [20] [21] [22] La estructura detallada aún no se comprende debido al fuerte desorden y al empaquetamiento irregular de las capas.

Las capas de óxido de grafeno tienen aproximadamente 1,1 ± 0,2 nm de espesor. [17] [18] La microscopía de efecto túnel muestra la presencia de regiones locales donde los átomos de oxígeno están dispuestos en un patrón rectangular con una constante de red de 0,27 nm × 0,41 nm. [18] [23] Los bordes de cada capa terminan con grupos carboxilo y carbonilo . [17] La ​​espectroscopia fotoelectrónica de rayos X muestra la presencia de varios picos de C 1 s , cuyo número e intensidad relativa dependen del método de oxidación particular utilizado. La asignación de estos picos a ciertos tipos de funcionalización de carbono es algo incierta y aún está en debate. Por ejemplo, una interpretación es la siguiente: contextos de anillo no oxigenados (284,8 eV), CO (286,2 eV), C=O (287,8 eV) y OC=O (289,0 eV). [24] Otra interpretación, utilizando el cálculo de la teoría funcional de la densidad , es la siguiente: C=C con defectos como grupos funcionales y pentágonos (283,6 eV), C=C (contextos de anillos no oxigenados) (284,3 eV), sp 3 C-H en el plano basal y C=C con grupos funcionales (285,0 eV), C=O y C=C con grupos funcionales, CO (286,5 eV) y OC=O (288,3 eV). [25]

El óxido de grafito es hidrófilo y se hidrata fácilmente cuando se expone al vapor de agua o se sumerge en agua líquida, lo que resulta en un claro aumento de la distancia entre planos (hasta 1,2 nm en estado saturado). También se incorpora agua adicional al espacio entre capas debido a los efectos inducidos por la alta presión. [26] El estado máximo de hidratación del óxido de grafito en agua líquida corresponde a la inserción de 2-3 monocapas de agua. El enfriamiento de las muestras de óxido de grafito/H2O da como resultado una "expansión térmica pseudonegativa" y el enfriamiento por debajo del punto de congelación del agua da como resultado la desinserción de una monocapa de agua y la contracción de la red. [14] La eliminación completa del agua de la estructura parece difícil ya que el calentamiento a 60-80 °C produce una descomposición parcial y degradación del material.

Exfoliación de óxido de grafito a alta temperatura, capturas de pantalla de un vídeo. [27] La ​​exfoliación da como resultado un aumento diez veces mayor del volumen de la muestra y la formación de polvo de carbono con granos de pocas capas de grafeno de espesor. [28]

Al igual que el agua, el óxido de grafito incorpora fácilmente otros disolventes polares, por ejemplo alcoholes. Sin embargo, la intercalación de disolventes polares se produce de manera significativamente diferente en los óxidos de grafito Brodie y Hummers. El óxido de grafito Brodie se intercala en condiciones ambientales mediante una monocapa de alcoholes y varios otros disolventes (por ejemplo, dimetilformamida y acetona ) cuando hay exceso de disolvente líquido disponible. La separación de las capas de óxido de grafito es proporcional al tamaño de la molécula de alcohol. [29] El enfriamiento del óxido de grafito Brodie sumergido en exceso de metanol líquido , etanol , acetona y dimetilformamida da como resultado la inserción escalonada de una monocapa de disolvente adicional y la expansión de la red. La transición de fase detectada por difracción de rayos X y calorimetría diferencial de barrido (DSC) es reversible; Se observa desinserción de la monocapa de disolvente cuando la muestra se calienta nuevamente desde bajas temperaturas. [30] Una monocapa adicional de metanol y etanol se inserta de forma reversible en la estructura del óxido de grafito Brodie en condiciones de alta presión. [29]

El óxido de grafito Hummers se intercala con dos monocapas de metanol o etanol a temperatura ambiente. La distancia entre capas de óxido de grafito Hummers en un exceso de alcoholes líquidos aumenta gradualmente al disminuir la temperatura, alcanzando 19,4 y 20,6 Å a 140 K para metanol y etanol, respectivamente. La expansión gradual de la red de óxido de grafito de Hummers al enfriarse corresponde a la inserción de al menos dos monocapas de disolvente adicionales. [31]

El óxido de grafito se exfolia y se descompone cuando se calienta rápidamente a temperaturas moderadamente altas (~280–300 °C) con formación de carbón amorfo finamente disperso , algo similar al carbón activado . [28]

Caracterización

(A) Imagen de GO fraccionado, (B) XRD, (C) Raman y (D) espectros FTIR de GO (negro), fracción de GOw más oxidada (azul) y fracción de GOe menos oxidada (rojo). [11]

XRD , FTIR , Raman , XPS , AFM , TEM , SEM / EDX , análisis termogravimétrico [11] [32] [33] [25] [34] , etc. son algunas técnicas comunes utilizadas para caracterizar muestras GO. [35] Los resultados experimentales de grafito/óxido de grafeno se han analizado detalladamente mediante cálculos. [36] [37] Dado que la distribución de las funcionalidades del oxígeno en las hojas de GO es polidispersa, se pueden utilizar métodos de fraccionamiento para caracterizar y separar las hojas de GO en función de la oxidación. [11] Los diferentes métodos de síntesis dan lugar a diferentes tipos de óxido de grafeno. Incluso lotes diferentes de métodos de oxidación similares pueden tener diferencias en sus propiedades debido a variaciones en los procesos de purificación o enfriamiento. [11]

Propiedades de la superficie

También es posible modificar la superficie del óxido de grafeno para cambiar sus propiedades. [33] [38] El óxido de grafeno tiene propiedades superficiales únicas que lo convierten en un muy buen material tensioactivo que estabiliza varios sistemas de emulsión. [33] [11] El óxido de grafeno permanece en la interfaz de los sistemas de emulsiones debido a la diferencia en la energía superficial de las dos fases separadas por la interfaz. [39] [33]

Relación con el agua

Óxido de grafeno en agua líquida. [40]

Los óxidos de grafito absorben humedad en proporción a la humedad y se hinchan en agua líquida. La cantidad de agua absorbida por los óxidos de grafito depende del método de síntesis particular y muestra una fuerte dependencia de la temperatura.

El óxido de grafito Brodie absorbe selectivamente metanol de mezclas de agua/metanol en un cierto rango de concentraciones de metanol. [41]

Las membranas preparadas a partir de óxidos de grafito (recientemente llamadas más a menudo membranas de "óxido de grafeno") son herméticas al vacío e impermeables al nitrógeno y al oxígeno, pero son permeables al vapor de agua. Las membranas también son impermeables a "sustancias de menor peso molecular". La permeación de membranas de grafito y óxido de grafeno por disolventes polares es posible debido al hinchamiento de la estructura del óxido de grafito. [42] Las membranas en estado hinchado también son permeables a los gases, por ejemplo al helio . Las láminas de óxido de grafeno son químicamente reactivas en agua líquida, lo que les lleva a adquirir una pequeña carga negativa. [40]

Se informó que la distancia entre capas de óxidos de grafito secos es de ~ 6 a 7 Å, pero en agua líquida aumenta hasta 11 a 13 Å a temperatura ambiente. La expansión de la red se vuelve más fuerte a temperaturas más bajas. La distancia entre capas en NaOH diluido alcanzó el infinito , lo que resultó en la dispersión del óxido de grafito en láminas de óxido de grafeno de una sola capa en solución. El óxido de grafito se puede utilizar como membrana de intercambio catiónico para materiales como soluciones de KCl, HCl, CaCl 2 , MgCl 2 , BaCl 2 . Las membranas eran permeables a grandes iones alcalinos, ya que pueden penetrar entre las capas de óxido de grafeno. [42]

Aplicaciones

No linealidad óptica

Los materiales ópticos no lineales son de gran importancia para la fotónica y la optoelectrónica ultrarrápidas. Recientemente, las gigantescas no linealidades ópticas del óxido de grafeno (GO) han demostrado ser útiles para diversas aplicaciones. [43] Por ejemplo, la limitación óptica de GO es indispensable en la protección de instrumentos sensibles contra daños inducidos por láser. Y la absorción saturable se puede utilizar para compresión de pulsos, bloqueo de modo y conmutación Q. Además, la refracción no lineal ( efecto Kerr ) es crucial para aplicaciones que incluyen conmutación totalmente óptica, regeneración de señales y comunicaciones ópticas rápidas.

Una de las propiedades más intrigantes y únicas del GO es que sus propiedades eléctricas y ópticas se pueden ajustar dinámicamente manipulando el contenido de grupos que contienen oxígeno mediante métodos de reducción químicos o físicos. La sintonización de las no linealidades ópticas se ha demostrado durante el proceso de reducción inducida por láser mediante el aumento continuo de la irradiancia del láser, y se han descubierto cuatro etapas de diferentes actividades no lineales, que pueden servir como materiales de estado sólido prometedores para nuevos dispositivos funcionales no lineales. [44] Y las nanopartículas metálicas pueden mejorar en gran medida la no linealidad óptica [45] y la fluorescencia [46] del óxido de grafeno.

Fabricación de grafeno

El óxido de grafito ha despertado mucho interés como posible ruta para la producción y manipulación a gran escala de grafeno , un material con extraordinarias propiedades electrónicas. El óxido de grafito en sí es un aislante, [47] casi un semiconductor , con conductividad diferencial [11] entre 1 y 5×10 −3 S/cm a un voltaje de polarización de 10 V. [47] Sin embargo, al ser hidrófilo , el óxido de grafito se dispersa fácilmente en agua, rompiéndose en escamas macroscópicas, en su mayoría de una capa de espesor. La reducción química de estos copos produciría una suspensión de copos de grafeno. Se argumentó que la primera observación experimental del grafeno fue informada por Hanns-Peter Boehm en 1962. [48] En este primer trabajo se demostró la existencia de escamas de óxido de grafeno reducido en monocapa. La contribución de Boehm fue reconocida recientemente por Andre Geim , premio Nobel por la investigación del grafeno. [49]

Se puede lograr una reducción parcial tratando el óxido de grafeno suspendido con hidrato de hidracina a 100 °C durante 24 horas, [24] exponiendo el óxido de grafeno a plasma de hidrógeno durante unos segundos, [47] o mediante la exposición a un fuerte pulso de luz. como por ejemplo el de un flash de xenón . [50] Debido al protocolo de oxidación, múltiples defectos ya presentes en el óxido de grafeno obstaculizan la eficacia de la reducción. Así, la calidad del grafeno obtenida tras la reducción está limitada por la calidad del precursor (óxido de grafeno) y la eficiencia del agente reductor. [51] Sin embargo, la conductividad del grafeno obtenido por esta vía es inferior a 10 S/cm, [50] y la movilidad de la carga está entre 0,1 y 10 cm 2 /Vs. [47] [52] [53] Estos valores son mucho mayores que los del óxido, pero aún unos pocos órdenes de magnitud más bajos que los del grafeno prístino. [47] Recientemente, se optimizó el protocolo sintético para el óxido de grafito y se obtuvo óxido de grafeno casi intacto con una estructura de carbono preservada. La reducción de este óxido de grafeno casi intacto funciona mucho mejor y los valores de movilidad de los portadores de carga superan los 1000 cm 2 /Vs para obtener la mejor calidad de las escamas. [54] La inspección con el microscopio de fuerza atómica muestra que los enlaces de oxígeno distorsionan la capa de carbono, creando una rugosidad intrínseca pronunciada en las capas de óxido que persiste después de la reducción. Estos defectos también aparecen en los espectros Raman del óxido de grafeno. [47]

También se pueden producir grandes cantidades de láminas de grafeno mediante métodos térmicos. Por ejemplo, en 2006 se descubrió un método que exfolia y reduce simultáneamente el óxido de grafito mediante calentamiento rápido (>2000 °C/min) a 1050 °C. A esta temperatura, se libera dióxido de carbono a medida que se eliminan las funcionalidades del oxígeno y separa explosivamente las láminas a medida que sale. [55] La temperatura de reducción es importante para el contenido de oxígeno del producto final, con un mayor grado de reducción para temperaturas de reducción más altas. [56] [57]

También se ha demostrado que exponer una película de óxido de grafito al láser de un DVD LightScribe produce grafeno de calidad a bajo coste. [58]

El óxido de grafeno también se ha reducido a grafeno in situ , utilizando un patrón impreso en 3D de la bacteria E. coli diseñada . [59] El acoplamiento del óxido de grafeno con biomoléculas como péptidos, proteínas y enzimas mejora sus aplicaciones biomédicas. [60] Actualmente, los investigadores se centran en reducir el óxido de grafeno utilizando sustancias no tóxicas; Se utilizan ampliamente té y café en polvo, extracto de limón y diversos antioxidantes a base de plantas. [61]

Purificación del agua

Los óxidos de grafito se estudiaron para la desalinización de agua mediante ósmosis inversa a partir de la década de 1960. [62] En 2011 se publicaron investigaciones adicionales. [63]

En 2013, Lockheed Martin anunció su filtro de grafeno Perforene . Lockheed afirma que el filtro reduce los costes energéticos de la desalinización por ósmosis inversa en un 99%. Lockheed afirmó que el filtro era 500 veces más delgado que el mejor filtro del mercado, mil veces más fuerte y requiere el 1% de la presión. [64] No se esperaba que el producto se lanzara hasta 2020. [65]

Otro estudio demostró que el óxido de grafito podría diseñarse para permitir el paso del agua, pero retener algunos iones más grandes. [64] Los capilares estrechos permiten una rápida permeación del agua monocapa o bicapa. Los laminados multicapa tienen una estructura similar al nácar , lo que proporciona resistencia mecánica en condiciones libres de agua. El helio no puede atravesar las membranas en condiciones libres de humedad, pero penetra fácilmente cuando se expone a la humedad, mientras que el vapor de agua pasa sin resistencia. Los laminados secos son herméticos al vacío, pero sumergidos en agua actúan como tamices moleculares, bloqueando algunos solutos. [66]

Un tercer proyecto produjo láminas de grafeno con poros a subnanoescala (0,40 ± 0,24 nm). El grafeno fue bombardeado con iones de galio , que rompen los enlaces de carbono. Grabar el resultado con una solución oxidante produce un agujero en cada punto golpeado por un ion de galio. El tiempo transcurrido en la solución oxidante determinó el tamaño promedio de los poros. La densidad de los poros alcanzó los 5 billones de poros por centímetro cuadrado, manteniendo al mismo tiempo la integridad estructural. Los poros permitieron el transporte de cationes después de cortos períodos de oxidación, consistente con la repulsión electrostática de grupos funcionales cargados negativamente en los bordes de los poros. Después de períodos de oxidación más prolongados, las láminas eran permeables a la sal pero no a las moléculas orgánicas más grandes. [67]

En 2015, un equipo creó un té de óxido de grafeno que en el transcurso de un día eliminó el 95% de los metales pesados ​​en una solución acuosa. [68] Se utilizó con éxito un compuesto compuesto por pequeñas nanopartículas ferrimagnéticas de NiFe 2 O 4 y óxido de grafeno parcialmente reducido funcionalizado con átomos de nitrógeno para eliminar el ion Cr(III) del agua. La ventaja de este nanocompuesto es que se puede separar magnéticamente del agua. [69] Un proyecto colocó átomos de carbono en capas en una estructura de panal, formando un cristal en forma de hexágono que medía alrededor de 0,1 milímetros de ancho y largo, con agujeros subnanométricos. Trabajos posteriores aumentaron el tamaño de la membrana al orden de varios milímetros. [70]

El grafeno adherido a una estructura de soporte de policarbonato fue inicialmente eficaz para eliminar la sal. Sin embargo, se formaron defectos en el grafeno. Rellenar los defectos más grandes con nailon y los defectos pequeños con hafnio metálico seguido de una capa de óxido restableció el efecto de filtración. [70]

En 2016, los ingenieros desarrollaron películas a base de grafeno alimentadas por el sol que pueden filtrar agua sucia o salada. Se utilizaron bacterias para producir un material que consta de dos capas de nanocelulosa . La capa inferior contiene celulosa prístina , mientras que la capa superior contiene celulosa y óxido de grafeno, que absorbe la luz solar y produce calor. El sistema aspira agua desde abajo hacia el material. El agua se difunde hacia la capa superior, donde se evapora y deja contaminantes. El evaporado se condensa encima, donde puede ser capturado. La película se produce añadiendo repetidamente un recubrimiento fluido que se endurece. Las bacterias producen fibras de nanocelulosa con escamas de óxido de grafeno intercaladas. La película es ligera y fácil de fabricar a escala. [71]

Revestimiento

Las películas multicapa ópticamente transparentes hechas de óxido de grafeno son impermeables en condiciones secas. Expuestos al agua (o vapor de agua), permiten el paso de moléculas por debajo de cierto tamaño. Las películas consisten en millones de escamas apiladas al azar, dejando capilares de tamaño nanométrico entre ellas. El cierre de estos nanocapilares mediante reducción química con ácido yodhídrico crea películas de "óxido de grafeno reducido" (r-GO) que son completamente impermeables a gases, líquidos o productos químicos fuertes de más de 100 nanómetros de espesor. Como recipientes para ácidos corrosivos se pueden utilizar cristalería o placas de cobre cubiertas con una "pintura" de grafeno. Las películas plásticas recubiertas de grafeno podrían usarse en envases médicos para mejorar la vida útil. [72] [ se necesita una mejor fuente ]

Materiales relacionados

Las escamas de óxido de grafeno dispersas también se pueden tamizar de la dispersión (como en la fabricación de papel ) y prensarlas para obtener un papel de óxido de grafeno extremadamente fuerte . [dieciséis]

El óxido de grafeno se ha utilizado en aplicaciones de análisis de ADN. La gran superficie plana del óxido de grafeno permite la extinción simultánea de múltiples sondas de ADN marcadas con diferentes tintes, lo que permite la detección de múltiples objetivos de ADN en la misma solución. Otros avances en los sensores de ADN basados ​​en óxido de grafeno podrían dar lugar a análisis de ADN rápidos y muy económicos. [73] Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de L'Aquila (Italia) descubrió nuevas propiedades humectantes del óxido de grafeno reducido térmicamente en vacío ultraalto hasta 900 °C. Encontraron una correlación entre la composición química de la superficie, la energía libre de la superficie y sus componentes polares y dispersivos, lo que justifica las propiedades humectantes del óxido de grafeno y del óxido de grafeno reducido. [74] [75]

Electrodo de batería recargable flexible

Se ha demostrado que el óxido de grafeno es un material de ánodo de batería independiente y flexible para baterías de iones de litio [76] y de iones de sodio a temperatura ambiente. [77] [78] También se está estudiando como agente conductor de alta superficie en cátodos de baterías de litio-azufre. [79] Los grupos funcionales del óxido de grafeno pueden servir como sitios para la modificación química y la inmovilización de especies activas. Este enfoque permite la creación de arquitecturas híbridas para materiales de electrodos. Ejemplos recientes de esto se han implementado en las baterías de iones de litio, que son conocidas por ser recargables a costa de límites de capacidad bajos. En investigaciones recientes se ha demostrado que los compuestos a base de óxido de grafeno funcionalizados con óxidos y sulfuros metálicos inducen un mejor rendimiento de la batería. Esto también se ha adaptado a aplicaciones en supercondensadores, ya que las propiedades electrónicas del óxido de grafeno le permiten evitar algunas de las restricciones más frecuentes de los electrodos típicos de óxido de metales de transición. Se están desarrollando investigaciones en este campo, con exploración adicional de métodos que implican dopaje con nitrógeno y ajuste del pH para mejorar la capacitancia. [80] Además, actualmente se está explorando la investigación sobre láminas de óxido de grafeno reducido, que muestran propiedades electrónicas superiores similares al grafeno puro. La reducción del óxido de grafeno aumenta en gran medida la conductividad y la eficiencia, al tiempo que sacrifica cierta flexibilidad e integridad estructural. [81] [82] [83]

Lente de óxido de grafeno

La lente óptica ha desempeñado un papel fundamental en casi todas las áreas de la ciencia y la tecnología desde su invención hace unos 3.000 años. Con los avances en las técnicas de micro y nanofabricación, siempre se ha solicitado una miniaturización continua de las lentes ópticas convencionales para diversas aplicaciones, como comunicaciones, sensores, almacenamiento de datos y una amplia gama de otras industrias impulsadas por la tecnología y el consumidor. Específicamente, tamaños cada vez más pequeños, así como espesores más delgados de microlentes, son muy necesarios para la óptica de longitud de onda inferior o la nanoóptica con estructuras extremadamente pequeñas, particularmente para aplicaciones visibles y de infrarrojo cercano. Además, a medida que se reduce la escala de distancias para las comunicaciones ópticas, los tamaños de características requeridos de las microlentes se reducen rápidamente.

Recientemente, las excelentes propiedades del óxido de grafeno recientemente descubierto brindan soluciones novedosas para superar los desafíos de los dispositivos de enfoque planar actuales. Específicamente, se ha demostrado una modificación gigante del índice de refracción (hasta 10 ^ -1), que es un orden de magnitud mayor que los materiales actuales, entre el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO) manipulando dinámicamente su contenido de oxígeno. utilizando el método de escritura láser directa (DLW). Como resultado, el espesor total de la lente puede reducirse potencialmente más de diez veces. Además, se encuentra que la absorción óptica lineal de GO aumenta a medida que se profundiza la reducción de GO, lo que da como resultado un contraste de transmisión entre GO y rGO y, por lo tanto, proporciona un mecanismo de modulación de amplitud. Además, tanto el índice de refracción como la absorción óptica no tienen dispersión en un amplio rango de longitudes de onda, desde el visible hasta el infrarrojo cercano. Finalmente, la película GO ofrece una capacidad de creación de patrones flexible mediante el uso del método DLW sin máscara, que reduce la complejidad y los requisitos de fabricación.

Como resultado, recientemente se ha creado una nueva lente plana ultrafina sobre una película delgada GO utilizando el método DLW. [84] La clara ventaja de la lente plana GO es que la modulación de fase y la modulación de amplitud se pueden lograr simultáneamente, lo que se atribuye a la modulación gigante del índice de refracción y la absorción óptica lineal variable de GO durante su proceso de reducción, respectivamente. Debido a la capacidad mejorada de conformación del frente de onda, el grosor de la lente se reduce a una escala de sublongitud de onda (~200 nm), que es más delgada que todas las lentes dieléctricas actuales (escala ~ μm). Las intensidades de enfoque y la distancia focal se pueden controlar eficazmente variando las potencias del láser y los tamaños de las lentes, respectivamente. Al utilizar un objetivo de alta apertura numérica (NA) de inmersión en aceite durante el proceso DLW, se logró un tamaño de característica de fabricación de 300 nm en la película GO y, por lo tanto, el tamaño mínimo de la lente se redujo a 4,6 μm de diámetro, que es el microplanar más pequeño. lente y solo se puede realizar con metasurface por FIB. A partir de entonces, la distancia focal se puede reducir hasta 0,8 μm, lo que potencialmente aumentaría la apertura numérica (NA) y la resolución de enfoque.

Se ha demostrado experimentalmente el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de 320 nm en el punto focal mínimo utilizando un haz de entrada de 650 nm, lo que corresponde al NA efectivo de 1,24 (n=1,5), el NA más grande de los micros actuales. lentes. Además, se ha logrado una capacidad de enfoque de banda ultraancha desde 500 nm hasta 2 μm con la misma lente plana, lo que sigue siendo un gran desafío para el enfoque en el rango infrarrojo debido a la disponibilidad limitada de materiales y tecnología de fabricación adecuados. Lo más importante es que las películas delgadas de GO sintetizadas de alta calidad pueden integrarse de manera flexible en varios sustratos y fabricarse fácilmente utilizando el método DLW de un solo paso en un área grande a un bajo costo y potencia comparables (~nJ/pulso), lo que eventualmente hace que el Lentes planas GO prometedoras para diversas aplicaciones prácticas.

Conversión de energía

La división fotocatalítica del agua es un proceso de fotosíntesis artificial en el que el agua se disocia en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), utilizando luz artificial o natural. Actualmente se están investigando métodos como la división fotocatalítica del agua para producir hidrógeno como fuente limpia de energía. La movilidad superior de los electrones y la alta superficie de las láminas de óxido de grafeno sugieren que se puede implementar como un catalizador que cumpla con los requisitos de este proceso. Específicamente, los grupos funcionales composicionales de epóxido (-O-) e hidróxido (-OH) del óxido de grafeno permiten un control más flexible en el proceso de división del agua. Esta flexibilidad se puede utilizar para adaptar la banda prohibida y las posiciones de la banda a las que se dirige la división fotocatalítica del agua. Experimentos de investigación recientes han demostrado que la actividad fotocatalítica del óxido de grafeno que contiene una banda prohibida dentro de los límites requeridos ha producido resultados de división efectivos, particularmente cuando se usa con una cobertura del 40 al 50 % en una proporción de hidróxido:epóxido de 2:1. Cuando se utilizan en materiales compuestos con CdS (un catalizador típico utilizado en la división fotocatalítica del agua), se ha demostrado que los nanocompuestos de óxido de grafeno exhiben una mayor producción de hidrógeno y eficiencia cuántica.

Almacenamiento de hidrógeno

También se están explorando las aplicaciones del óxido de grafeno en el almacenamiento de hidrógeno. Las moléculas de hidrógeno se pueden almacenar entre los grupos funcionales a base de oxígeno que se encuentran en toda la hoja. Esta capacidad de almacenamiento de hidrógeno se puede manipular aún más modulando la distancia entre capas entre láminas, así como realizando cambios en los tamaños de los poros. La investigación sobre la decoración con metales de transición en sorbentes de carbono para mejorar la energía de unión del hidrógeno ha llevado a experimentos con titanio y magnesio anclados a grupos hidroxilo, lo que permite la unión de múltiples moléculas de hidrógeno.

Medicina de precisión

El óxido de grafeno ha sido estudiado por sus usos prometedores en una amplia variedad de aplicaciones nanomédicas, incluida la ingeniería de tejidos , el tratamiento del cáncer , la obtención de imágenes médicas y la administración de fármacos . [85] Sus propiedades fisicoquímicas permiten una estructura para regular el comportamiento de las células madre , con el potencial de ayudar en la entrega intracelular de ADN , factores de crecimiento y proteínas sintéticas que podrían permitir la reparación y regeneración del tejido muscular . [86] Debido a su comportamiento único en entornos biológicos, GO también se ha propuesto como un material novedoso en el diagnóstico temprano del cáncer . [87]

También se ha explorado por sus usos en vacunas e inmunoterapia , incluso como adyuvante de doble uso y portador de materiales biomédicos . [88] [89] En septiembre de 2020, investigadores del Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Nanotecnología de Shanghai en China presentaron una patente para el uso de óxido de grafeno en una vacuna recombinante en desarrollo contra el SARS-CoV-2 . [90]

Toxicidad

Se han revelado varios mecanismos típicos que subyacen a la toxicidad del nanomaterial de grafeno (óxido), por ejemplo, destrucción física, estrés oxidativo, daño al ADN, respuesta inflamatoria, apoptosis, autofagia y necrosis. En estos mecanismos, las vías dependientes de los receptores tipo peaje (TLR), el factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) y el factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α) están involucrados en la red de vías de señalización, y el estrés oxidativo juega un papel crucial. papel en estas vías. Muchos experimentos han demostrado que los nanomateriales de grafeno (óxido) tienen efectos secundarios tóxicos en muchas aplicaciones biológicas, pero se necesitan estudios más profundos de los mecanismos de toxicidad. [91] Según la FDA de EE. UU., el grafeno, el óxido de grafeno y el óxido de grafeno reducido provocan efectos tóxicos tanto in vitro como in vivo. [92] Los nanomateriales de la familia del grafeno (GFN) no están aprobados por la FDA de EE. UU. para consumo humano.

Ver también

Referencias

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