گرافن - جلسه سوم

اهداف جلسه:
·آشنایی با سنتزگرافن اکسید

وسایل مورد نیاز:
·دسترسی به اینترنت

مقدمه:
اصطلاح گرافن برای اولین بار در سال 1986 معرفی شد که از ترکیب کلمه ی گرافیت و یک پسوند (ان) که به هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه‌ای اشاره دارد بوجود آمده است. این نام برای توصیف یک تک لایه از گرافیت در بین ساختارهای بزرگتر مانند ترکیبات بین لایه ای گرافیت مورد استفاده قرار گرفت.
هر چند که این مفهوم بصورت تئوری نخستین بار در سال 1947 توسط فیلیپ والاس به عنوان یک نقطه شروع برای درک خواص الکترونیکی گرافیت سه بعدی مطرح شد. از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفت اما قضیه‌ای به نام قضیه ی مرمین-واگنر در مکانیک آماری و نظریه ی میدان‌های کوانتومی (بر اساس علم فیزیک) وجود داشت که ساخت یک ماده ی دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار و صرفا یک ماده نظری می‌دانست.
                                                                                    ترکیبات بین لایه ای گرافیت

همین مسئله باعث شد با وجود اینکه این ماده توسط افرادی ساخته شده بود در طی سال ها همچنان ناشناخته باقی بماند و تا سال 2004 هیچگونه توجهی به بررسی خصوصیات گرافن نشود.
در طی سال ها تک لایه های گرافیت در ساختارهای بزرگتر مانند ترکیبات بین لایه ای گرافیت با میکروسکوپ الکترونی عبوری دیده شدند. ساختارهایی که در واقع اکسید گرافن (ورقه ی از گرافن که با گروه های هیدروکسیل و اپوکسید پوشیده شده است) یا اکسید گرافن کاهش یافته بودند (اکسید گرافن توسط روئس و ووگت در سال 1948 و اکسید گرافن کاهش یافته توسط بوئم و هوفمن در سال 1962 دیده شد). ساخت گرافن اکسید به سال 1859 برمی گردد. با قرار دادن گرافیت در اسیدهای قوی، ماده ای بدست آمد که در آن زمان کربونیک اسید نام گرفت.  برودی تصور می کرد که فرم جدیدی از کربن با وزن مولکولی 33 به نام گرافون کشف کرده است. ولی در واقع بعدها مشخص شد که او یک سوسپانسیون از بلورهای کوچک گرافن اکسید ساخته است. در سال 1948، روئس و ووگت میکروسکوپ الکترونی عبوری را به کار بردند و بعد از خشک کردن یک قطره از سوسپانسیون گرافن اکسید بر روی گرید TEM، تکه هایی با ضخامت کمتر از چند نانومتر مشاهده کردند. در سال 1962 بوئم و هوفمن جستجوی زیادی برای پیدا کردن نازکترین قطعه از گرافن اکسید کاهش یافته انجام دادند و تعدادی تک لایه پیدا کردند. ولی این مشاهدات تا سال های 2009 و 2010 توجه زیادی به خود جلب نکرد.  در واقع بوئم و هوفمن در سال 1962 به کانتراست نسبی TEM استناد کرده بودند که روشی است که در تحقیقات دقیق امروز بکار برده نمیشود(زیرا کانتراست به شدت به شرایط وابسته می باشد). با این وجود، امروزه کار بوئم و هوفمن (1962) به عنوان اولین مشاهده ی ورقه های گرافن با میکروسکوپ الکترونی عبوری در نظرگرفته می شود.
الف)سوسپانسیون ساخته شده به وسیله ی برودی  ب) تصویری از تکه ی بسیار نازکی از گرافیت اکسید کاهش یافته در سال 1962
 
با شروع دهه ی 1970، گرافن تک لایه برای اولین بار بر روی سطح مواد دیگر با استفاده از روش رشد همبافته تولید شد. این گرافن ایجاد شده شامل یک شبکه شش ضلعی از اتم های کربن پیوند شده با هیبریدSp2  با ضخامت یک اتم بود. فیلم رشد یافته معمولا با استفاده از روش های علمی سطح، تجزیه و تحلیل می شد. این تجزیه و تحلیل در ناحیه ی بزرگی متوسط گیری می شد و هیچگونه بحثی در مورد کیفیت و پیوستگی این لایه ها انجام نمی گرفت. با این حال، در بعضی موارد انتقال بار قابل توجهی از بستر به گرافنِ رشد یافته، و در برخی موارد هیبریداسیون بین اوربیتال d از اتم بستر و اوربیتال π از گرافن اتفاق می افتاد. این موضوع به طور قابل توجهی منجر به تغییر ساختار الکتریکی گرافن رشد یافته می شد. 
همچنین با شروع سال 1990 تلاش های بسیاری برای ایجاد فیلم های بسیار نازک از گرافیت با خراش دادن و یا مالش گرافیت به یک سطح دیگر (ورقه شدن میکرومکانیکی) انجام شد. اما در طول این سال ها (تا سال 2004) هیچ ماده ی کربنی نازک تر از 50 تا 100 لایه تولید نشد. در سال 2000، کیم و همکارانش روش ورقه شدن میکرومکانیکی را تا حدی اصلاح کردند و یک مداد با تکنولوژی بالا ایجاد کردند. آنها یک میکروکریستال از گرافیت را به بازوی تیرک یک میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) متصل کردند و نوک این میکروکریستال را در طول یک ویفر سیلیکون (شبیه به نوشتن با یک مداد) خراش دادند. با این روش ماده ای به ضخامت چند ده لایه ی اتمی بدست آمد و مواد بدست آمده در واقع گرافیت نازک بود، نه گرافن. به این ترتیب کسی واقعا انتظار نداشت که چنین ماده ای (گرافن) در طبیعت وجود داشته باشد.
از قرن نوزدهم كه برای اولین بار اكسید گرافیت  تهیه شد، تولید این ماده عمدتاً از روش اكسید كردن گرافیت در حضور اسیدها و اكسیدكننده ­هاى قوى انجام میشود. با افزایش رطوبت نسبى، فاصله ­ى میان صفحات اكسید گرافن به صورت برگشت پذیر از 6 تا 12 آنگستروم افزایش می ­یابد. سطح اکسید گرافن  دارای گروه­های عاملی زیادی از جمله گروه­ های هیدروکسیل، اپوکسید، کتون وکربوکسیلیک اسید می‌باشد که باعث انحلال‌پذیری زیاد آن در آب و حلال­ های آلی می ­شود. در حضور این گروه­ های عاملی فعال و مواد واکنشگر لازم، می­ توان گروه‌های عاملی دیگر را روی سطح اکسید گرافن نشاند و خواص فیزیکی و شیمیایی آن را به دلخواه تغییر داد. اکسید گرافن به علت مساحت سطح بالا و دارا بودن گروه­های عاملی حاوی اکسیژن، بستر مطلوبی برای نشاندن نانوذرات مغناطیسی می باشد.

روش های جدید سنتز گرافن اکسید
میکروذرات کروی Fe3O4@SiO2@G توسط جیانگ[1] و همکارنش تهیه شده اند. این کاتالیزور به دلیل حضور گرافن به عنوان یک بستر جاذب مناسب برای پروتئین‌ها و پپتید‌ها عمل می‌کند و تمایل زیادی به ترکیب با ترکیبات زیستی دارد.
                                                               روش شیمیایی سنتز Fe3O4@SiO2@G
در تلاشی جدید، لیو[2] و همکارانش ترکیب اکسید گرافن-پلی آنیلین را با کیفیتی بالا برای کاربرد در ابر خازن‌ها گزارش داده‌اند. این ترکیب جدید حاوی بیشترین مقدار گروه‌های اکسیژن دار روی صفحه گرافن است که قابلیت ایجاد پیوند با نیتروژن‌های آمینی زنجیره پلی آنیلین را دارند.

                                                    سنتز اکسید گرافن-پلی آنیلین حاوی گروه های کربونیل

استانکوویچ[3] و همکارانش ایزوسیانات را با اکسید گرافن واکنش داده و توانستند گرافن عامل دار شده را که برای تهیه نانوکامپوزیت‌های پلیمری مفید است تهیه کنند.
 روش کار
1. روش های جدید بیشتری برای سنتز گرافن و گرافن اکسید پیدا کنید.
2. بهترین روش جمع آوری اطلاعات علمی، استفاده از  سایت اینترنتی google scholar برای دستیابی به جدیدترین مقالات است. سعی کنید سال های 2006 یا 2007 به بعد را انتخاب کنید.
سوالات
1. نقطه اشتراک تمام این روش ها استفاده از کدام ماده است؟
2. برای تبدیل اکسید گرافن به گرافن از چه ماده ای باید استفاده کرد.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت