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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, obtenido mediante el tratamiento del grafito con oxidantes fuertes y ácidos para la resolución de metales adicionales . El producto a granel oxidado al máximo 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 más grande e irregular. [2] [3]

El material a granel se dispersa espontáneamente en soluciones básicas o se puede dispersar por sonicación en solventes polares para producir láminas monomoleculares, conocidas como óxido de grafeno por analogía con el grafeno , la forma de una sola capa de 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 interés sustancial como un posible intermedio para la fabricación de grafeno. El grafeno obtenido por reducción de óxido de grafeno todavía tiene muchos defectos químicos y estructurales, lo que es 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 al tratar el grafito con una mezcla de clorato de potasio y ácido nítrico fumante . [7] Informó de la síntesis de "láminas similares al papel" con un espesor de 0,05 mm. 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 contenedores inertes utilizando reactivos y solventes altamente puros. [10]

Los óxidos de grafito muestran una variación considerable de propiedades dependiendo del grado de oxidación y el método de síntesis. [11] [12] Por ejemplo, el punto de temperatura de exfoliación explosiva es generalmente más alto para el óxido de grafito preparado por el método Brodie en comparación con el óxido de grafito de 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 de Brodie y Hummers también son notablemente diferentes. [14]

Recientemente, se ha utilizado una mezcla de H 2 SO 4 y KMnO 4 para cortar longitudinalmente nanotubos de carbono , dando 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 ecológico en comparación con el método tradicional "de arriba hacia abajo", en el que intervienen oxidantes fuertes. Otra ventaja importante del método Tang-Lau es el control del espesor, que va desde monocapa a multicapas, mediante el ajuste de los parámetros de crecimiento. [16]

Estructura

La estructura y las propiedades del óxido de grafito dependen del método de síntesis particular y del grado de oxidación. [11] [12] Normalmente conserva la estructura de capas del grafito original, pero las capas están pandeadas y el espaciado entre capas es aproximadamente dos veces mayor (~0,7 nm) que el del grafito. Estrictamente hablando, "óxido" es un nombre incorrecto pero establecido históricamente. Además de los grupos epóxido (que unen átomos de oxígeno), 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, el método de Hummers) a menudo se encuentra alguna impureza de azufre, por ejemplo, en forma de grupos organosulfato. [17] [18] [19] [20] [21] [22] La estructura detallada aún no se entiende debido al fuerte desorden y al empaquetamiento irregular de las capas.

Las capas de óxido de grafeno tienen un espesor de aproximadamente 1,1 ± 0,2 nm. [17] [18] La microscopía de efecto túnel de barrido muestra la presencia de regiones locales donde los átomos de oxígeno están dispuestos en un patrón rectangular con una constante reticular 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 , su número e intensidad relativa dependiendo 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 oxigenado (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 anillo no oxigenado) (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 da como resultado un aumento marcado 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 de hidratación máxima 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 reticular. [14] La eliminación completa del agua de la estructura parece difícil ya que el calentamiento a 60–80 °C da como resultado la descomposición y degradación parcial del material.

Exfoliación de óxido de grafito a alta temperatura, capturas de pantalla de un video. [27] La ​​exfoliación da como resultado un aumento de diez veces el 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 ocurre de manera significativamente diferente en los óxidos de grafito de Brodie y Hummers. El óxido de grafito de Brodie se intercala en condiciones ambientales mediante una monocapa de alcoholes y varios otros disolventes (por ejemplo, dimetilformamida y acetona ) cuando el disolvente líquido está disponible en exceso. 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 de Brodie sumergido en un exceso de metanol líquido , etanol , acetona y dimetilformamida da como resultado la inserción escalonada de una monocapa de disolvente adicional y la expansión reticular. La transición de fase detectada por difracción de rayos X y calorimetría diferencial de barrido (DSC) es reversible; la desinserción de la monocapa de disolvente se observa cuando la muestra se calienta nuevamente desde bajas temperaturas. [30] Una monocapa adicional de metanol y etanol se inserta reversiblemente en la estructura del óxido de grafito de Brodie en condiciones de alta presión. [29]

El óxido de grafito de Hummers se intercala con dos monocapas de metanol o etanol a temperatura ambiente. La distancia entre capas del óxido de grafito de Hummers en un exceso de alcoholes líquidos aumenta gradualmente al disminuir la temperatura, alcanzando 19,4 y 20,6 Å a 140 K para el metanol y el 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 la formación de carbono 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 de GO. [35] Los resultados experimentales de óxido de grafito/grafeno se han analizado mediante cálculos en detalle. [36] [37] Dado que la distribución de funcionalidades de oxígeno en láminas de GO es polidispersa, se pueden utilizar métodos de fraccionamiento para caracterizar y separar láminas de GO en función de la oxidación. [11] Diferentes métodos de síntesis dan lugar a diferentes tipos de óxido de grafeno. Incluso diferentes lotes 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 surfactante 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 proporcionalmente 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 de Brodie absorbe selectivamente el metanol de las mezclas de agua y metanol en un cierto rango de concentraciones de metanol. [41]

Las membranas preparadas a partir de óxidos de grafito (recientemente llamadas membranas de "óxido de grafeno") son herméticas al vacío e impermeables al nitrógeno y al oxígeno, pero permeables al vapor de agua. Las membranas también son impermeables a "sustancias de menor peso molecular". La permeabilidad de las 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, el helio . Las láminas de óxido de grafeno son químicamente reactivas en agua líquida, lo que hace que adquieran una pequeña carga negativa. [40]

La distancia entre capas de óxidos de grafito secos se informó como ~6–7 Å, pero en agua líquida aumenta hasta 11–13 Å a temperatura ambiente. La expansión reticular se vuelve más fuerte a temperaturas más bajas. La distancia entre capas en NaOH diluido alcanzó el infinito , lo que resultó en la dispersión de 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 KCl, HCl, CaCl 2 , MgCl 2 , BaCl 2 soluciones. Las membranas fueron permeables a grandes iones alcalinos, ya que pueden penetrar entre capas de óxido de grafeno. [42]

Aplicaciones

No linealidad óptica

Los materiales ópticos no lineales son de gran importancia para la fotónica ultrarrápida y la optoelectrónica. Recientemente, las gigantescas no linealidades ópticas del óxido de grafeno (GO) han demostrado ser útiles para varias aplicaciones. [43] Por ejemplo, la limitación óptica del GO es indispensable para la protección de instrumentos sensibles contra daños inducidos por láser. Y la absorción saturable se puede utilizar para la compresión de pulsos, el bloqueo de modos y la 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 a través de métodos de reducción químicos o físicos. El ajuste de las no linealidades ópticas se ha demostrado durante el proceso de reducción inducida por láser a través del aumento continuo de la irradiancia 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 atraído mucho interés como una posible ruta para la producción y manipulación a gran escala de grafeno , un material con propiedades electrónicas extraordinarias. El óxido de grafito en sí mismo 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 copos macroscópicos, 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 de grafeno fue reportada por Hanns-Peter Boehm en 1962. [48] En este trabajo temprano se demostró la existencia de copos de óxido de grafeno reducidos en monocapa. La contribución de Boehm fue reconocida recientemente por Andre Geim , el ganador del Premio Nobel de investigación del grafeno. [49]

La reducción parcial se puede lograr tratando el óxido de grafeno suspendido con hidrato de hidrazina a 100 °C durante 24 horas, [24] exponiendo el óxido de grafeno a un plasma de hidrógeno durante unos segundos, [47] o exponiéndolo a un fuerte pulso de luz, como el de un flash de xenón . [50] Debido al protocolo de oxidación, múltiples defectos ya presentes en el óxido de grafeno obstaculizan la efectividad de la reducción. Por lo tanto, la calidad del grafeno obtenido después de 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 ruta es inferior a 10 S/cm, [50] y la movilidad de 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 inferiores a los del grafeno prístino. [47] Recientemente, se optimizó el protocolo sintético para el óxido de grafito y se obtuvo un 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 la mejor calidad de las láminas. [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 un calentamiento rápido (>2000 °C/min) a 1050 °C. A esta temperatura, se libera dióxido de carbono a medida que se eliminan las funcionalidades de 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 la exposición de 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 bacterias E. coli diseñadas. [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 la reducción del óxido de grafeno utilizando sustancias no tóxicas; el té y el café en polvo, el extracto de limón y varios antioxidantes de origen vegetal se utilizan ampliamente. [61]

Purificación de agua

Los óxidos de grafito se han estudiado 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 costos de energía de la desalinización por ósmosis inversa en un 99 %. Lockheed afirmó que el filtro era 500 veces más delgado que el mejor filtro que había en el mercado en ese momento, mil veces más fuerte y requería un 1 % de presión. [64] No se esperaba que el producto saliera al mercado 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 mono o bicapa. Los laminados multicapa tienen una estructura similar al nácar , que proporciona resistencia mecánica en condiciones libres de agua. El helio no puede pasar a través de 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 de escala subnanométrica (0,40 ± 0,24 nm). El grafeno fue bombardeado con iones de galio , que rompen los enlaces de carbono. El grabado del 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 medio de los poros. La densidad de 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, en consonancia con la repulsión electrostática de los 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 de agua. [68] Un compuesto que consiste en pequeñas nanopartículas ferromagnéticas de NiFe2O4 y óxido de grafeno parcialmente reducido funcionalizado con átomos de nitrógeno se utilizó con éxito para eliminar el ion Cr(III) del agua. La ventaja de este nanocompuesto es que se puede separar del agua magnéticamente. [69] Un proyecto colocó átomos de carbono en capas en una estructura de panal, formando un cristal con forma de hexágono que medía aproximadamente 0,1 milímetros de ancho y largo, con agujeros subnanómetros. Un trabajo posterior aumentó el tamaño de la membrana al orden de varios milímetros. [70]

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

En 2016, los ingenieros desarrollaron películas basadas en grafeno alimentadas por el sol que pueden filtrar agua sucia/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 atrae agua desde abajo hacia el material. El agua se difunde hacia la capa superior, donde se evapora y deja atrás cualquier contaminante. El evaporado se condensa en la parte superior, donde puede ser capturado. La película se produce añadiendo repetidamente un revestimiento fluido que se endurece. Las bacterias producen fibras de nanocelulosa con escamas de óxido de grafeno intercaladas. La película es ligera y se fabrica fácilmente a escala. [71]

Revestimiento

Las películas multicapa ópticamente transparentes hechas de óxido de grafeno son impermeables en condiciones secas. Expuestas al agua (o al vapor de agua), permiten el paso de moléculas de un tamaño inferior a un determinado. Las películas consisten en millones de copos apilados aleatoriamente, dejando capilares de tamaño nanométrico entre ellos. Al cerrar estos nanocapilares mediante reducción química con ácido yodhídrico se crean 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. Los recipientes de vidrio o las placas de cobre cubiertas con esta "pintura" de grafeno se pueden utilizar como contenedores para ácidos corrosivos. Las películas de plástico recubiertas de grafeno se podrían utilizar en envases médicos para mejorar la vida útil. [72] [ se necesita una mejor fuente ]

Materiales relacionados

Las escamas de óxido de grafeno disperso también se pueden separar de la dispersión (como en la fabricación de papel ) y prensar para hacer un papel de óxido de grafeno extremadamente fuerte . [16]

El óxido de grafeno se ha utilizado en aplicaciones de análisis de ADN. La gran superficie plana del óxido de grafeno permite el apagado simultáneo de múltiples sondas de ADN marcadas con diferentes colorantes, lo que proporciona la detección de múltiples objetivos de ADN en la misma solución. Los avances adicionales en los sensores de ADN basados ​​en óxido de grafeno podrían dar como resultado un análisis de ADN rápido y muy económico. [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 ultra alto 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 proporciona una justificación para las propiedades humectantes del óxido de grafeno y el óxido de grafeno reducido. [74] [75]

Electrodo flexible de batería recargable

Se ha demostrado que el óxido de grafeno es un material flexible y autónomo para ánodo de batería en baterías de iones de litio a temperatura ambiente [76] y de iones de sodio [77] [78] . También se está estudiando como agente conductor de gran área superficial 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. Se han implementado ejemplos recientes de esto en 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 basados ​​en 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 eludir algunas de las restricciones más frecuentes de los electrodos de óxido de metal de transición típicos. La investigación en este campo se está desarrollando, con una exploración adicional de métodos que involucran dopaje con nitrógeno y ajuste de pH para mejorar la capacitancia. [80] Además, actualmente se están explorando investigaciones sobre láminas de óxido de grafeno reducido, que muestran propiedades electrónicas superiores similares al grafeno puro. El óxido de grafeno reducido aumenta en gran medida la conductividad y la eficiencia, al tiempo que sacrifica algo de flexibilidad e integridad estructural. [81] [82] [83]

Lente de óxido de grafeno

Desde su invención hace unos 3000 años, las lentes ópticas han desempeñado un papel fundamental en casi todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Con los avances en las técnicas de micro y nanofabricación, siempre se ha solicitado la 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 consumo. En concreto, se necesitan tamaños cada vez más pequeños, así como espesores más finos de microlentes, para ópticas de sublongitud de onda o nanoópticas con estructuras extremadamente pequeñas, en particular para aplicaciones en el espectro visible y cercano al infrarrojo. Además, a medida que se reduce la escala de distancias para las comunicaciones ópticas, los tamaños de las características requeridas para las microlentes se reducen rápidamente.

Recientemente, las excelentes propiedades del óxido de grafeno recién 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 (tan grande como 10^-1), que es un orden de magnitud mayor que los materiales actuales, entre óxido de grafeno (GO) y 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 se puede reducir potencialmente en más de diez veces. Además, se ha descubierto 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, se ha descubierto que 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 modelado flexible mediante el uso del método DLW sin máscara, lo que reduce la complejidad y los requisitos de fabricación.

Como resultado, recientemente se ha logrado una nueva lente plana ultradelgada en una película delgada de GO utilizando el método DLW. [84] La ventaja distintiva de la lente plana de GO es que se puede lograr la modulación de fase y la modulación de amplitud simultáneamente, que se atribuyen 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 modelado del frente de onda, el espesor 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 de ~ μm). Las intensidades de enfoque y la longitud focal se pueden controlar de manera efectiva 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 ha logrado un tamaño de característica de fabricación de 300 nm en la película de GO y, por lo tanto, el tamaño mínimo de la lente se ha reducido a 4,6 μm de diámetro, que es la microlente plana más pequeña y solo se puede lograr con metasuperficie por FIB. Posteriormente, la distancia focal se puede reducir a tan solo 0,8 μm, lo que potencialmente aumentaría la apertura numérica (NA) y la resolución de enfoque.

Se ha demostrado experimentalmente el ancho completo 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 a la AN efectiva de 1,24 (n = 1,5), la AN más grande de las microlentes actuales. Además, se ha logrado una capacidad de enfoque de banda ultra ancha 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 adecuados y tecnología de fabricación. Lo más importante es que las películas delgadas de GO de alta calidad sintetizadas se pueden integrar de manera flexible en varios sustratos y fabricar fácilmente utilizando el método DLW de un solo paso sobre un área grande a un costo y potencia comparablemente bajos (~nJ/pulso), lo que finalmente hace que las lentes planas de GO sean prometedoras para varias 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 una fuente limpia de energía. La movilidad superior de los electrones y la gran área superficial de las láminas de óxido de grafeno sugieren que se puede implementar como un catalizador que cumple con los requisitos para este proceso. Específicamente, los grupos funcionales compositivos del óxido de grafeno de epóxido (-O-) e hidróxido (-OH) permiten un control más flexible en el proceso de división del agua. Esta flexibilidad se puede utilizar para adaptar el intervalo de banda y las posiciones de banda que se buscan en la división fotocatalítica del agua. Experimentos de investigación recientes han demostrado que la actividad fotocatalítica del óxido de grafeno que contiene un intervalo de banda dentro de los límites requeridos ha producido resultados de división efectivos, particularmente cuando se usa con una cobertura del 40-50% en una relación hidróxido:epóxido de 2:1. Se ha demostrado que los nanocompuestos de óxido de grafeno , cuando se utilizan en materiales compuestos con CdS (un catalizador típico utilizado en la división fotocatalítica del agua), exhiben una mayor producción de hidrógeno y eficiencia cuántica.

Almacenamiento de hidrógeno

El óxido de grafeno también se está explorando por sus aplicaciones en el almacenamiento de hidrógeno. Las moléculas de hidrógeno se pueden almacenar entre los grupos funcionales basados ​​en oxígeno que se encuentran en toda la lámina. Esta capacidad de almacenamiento de hidrógeno se puede manipular aún más modulando la distancia entre capas entre láminas, así como haciendo cambios en los tamaños de los poros. La investigación en la decoración de 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 se ha estudiado por sus usos prometedores en una amplia variedad de aplicaciones nanomédicas , incluidas la ingeniería de tejidos , el tratamiento del cáncer , las 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 administración 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, el 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 para Nanotecnología de Shanghái 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 subyacentes 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, los receptores tipo Toll (TLR), el factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) y las vías dependientes del factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α) están involucrados en la red de vías de señalización, y el estrés oxidativo juega un papel crucial en estas vías. Muchos experimentos han demostrado que los nanomateriales de grafeno (óxido) tienen efectos secundarios tóxicos en muchas aplicaciones biológicas, pero se necesita un estudio más profundo 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 el consumo humano.

Véase también

Referencias

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