АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Материалы на основе графена и его аналогов

Отмеченные выше уникальные физические свойства заставляют относиться к графену как к весьма перспективному объекту нанотехнологии, на основе которого могут быть получены материалы нового класса, обладающие выдающимися потребительскими свойствами. Вскоре после открытия графенов в 2004 г. возникло множество исследовательских групп, работающих над развитием новых методов получения этих регулярных углеродных структур, представляющих собой плоские двумерные слои, выложенные атомами углерода. Цель этих работ состоит в разработке относительно простой и недорогой процедуры получения макроскопических количеств графенов и материалов на их основе с тем, чтобы сделать этот уникальный материал доступным для прикладного использования. С материаловедческой точки зрения однослойный графен - слой толщиной 0,35 нм как таковой не может быть материалом, - это вещество. Вопрос о том, как из однослойного графена сделать материал и не потерять (или, если потерять – то минимально) его уникальные свойства – это общий вопрос создания материалов из наночастиц различного состава. Здесь имеется несколько направлений: мягкое компактирование, фиксация на подложках различной природы и введение в матрицы, неорганические или полимерные. Рассмотрим, как эти подходы можно использовать в случае графена.

А) компактирование

Поскольку латеральные размеры графеновых чешуек составляют 0,5 – 1 μм, можно подобрать такой фильтр, на поверхности которого они собираются в виде тёмного слоя при пропускании дисперсии в растворителе. Получившаяся плёнка легко отделяется от поверхности фильтра. Эксперимент показал, что плёнка содержит помимо графена значительные количества растворителя (или ПАВ, если оно использовалось для стабилизации дисперсии), которые не удаётся удалить даже при длительном нагревании в вакууме. Свойства такой плёнки существенно отличаются от физических параметров подвешенного однослойного графена. В то же время, в [176]показано, что в результате фильтрации суспензии графенов в смеси ДМФ/Н₂О на мембранном фильтре и последующего просушивания на воздухе была получена блестящая мягкая бумага черного цвета, электропроводность которой составила 1.69х10³ См/м, что считается вполне перспективным для дальнейшего использования. Как и у однослойного графена, проводимость такого листа бумаги в направлении, перпендикулярном поверхности, намного меньше. Для устранения этого, в [177] компактировали восстановленные графеновые чешуйки вместе с многослойными углеродными нанотрубками; проводимость такой гибридной бумаги в сильной степени зависит от соотношения компонентов и морфологии материала.

Б) фиксация на поверхности подложек

С самого начала работы с графеном исследователи искали пути фиксации чешуек однослойного (и многослойного) графенов на различных подложках. Прежде всего, это стандартные кремниевые пластины, покрытые слоем SiO₂ или полимерные плёнки. Был разработан метод осаждения пленки многослойного графена на диэлектрических материалах, устойчивых при высоких температурах (монокристаллический кварц, сапфир, плавленый SiO₂ и стандартная кремниевая пластина со слоем SiO₂ на поверхности) [60]. Преимущество графена состоит в том, что он термически стабилен и может подвергаться термообработке вместе с подложкой, на которую он осаждён. В качестве подложек для ряда задач предложено использовать прозрачные проводящие слои ITO; в [178] проведено электрофоретические осаждение чешуек окиси графена и восстановленного графена на ITO.

Затем подложку в течение нескольких часов подвергали травлению в водном растворе Fe(NO₃)₃ (1 M/л). В результате такой обработки графеновые пленки отделялись от подложки. Некоторые пленки сворачивались в цилиндр либо сферу, а другие плавали на поверхности раствора благодаря силам поверхностного натяжения. Эти плавающие пленки извлекали из раствора с помощью стеклянной пластины SiO₂/Si или мембраны и тщательно промывали в деионизованной воде.

В) введение в полимеры

Получение материалов из чешуек графена, ГрО или RGO может быть осуществлено путем введения их в матрицы полимеров разного состава [179]; в этой работе для создания таких композитных материалов чешуйки ГрО гомогенно распределяли в матрице ПВА, дальнейшее превращение привело к восстановлению ГрО до восГрО внутри матрицы. Показано, что введение лишь 1,8 % объемных восГрО в полимер привело к 150 % увеличению предела его прочности на разрыв. Аналогично, добавление небольших количеств графена в эпоксидную смолу действует намного сильнее на увеличение (~ на 1 порядок) прочности и механических свойств композита, чем введение углеродсодержащих нанотрубок в тот же полимер [180].

Было ясно, что такой «нежный» объект не может остаться безучастным к структуре и дефектам той поверхности, на которую его переносят. Так, в работе [181] обнаружены структурные искажения, образующиеся при фиксации одно- или многослойного графена на поверхности полимерной пленки полиметилметакрилата (ПММА). Обнаружено, что многослойный графен на гладкой поверхности полимера может создавать стопки из нескольких слоев. Авторы полагают, что образование наноискажений может существенно влиять на свойства графена на поверхности.

Для использования уникальных электрофизических свойств графена его вводят в электропроводящие полимеры. Наиболее часто в качестве проводящего полимера используют полианилин, известный своей доступностью и низкой стоимостью. В работе [182] получены механически устойчивые, гибкие пленки слоистого строения, в которых чередуются слои PANI и восГрО. Показано, что электропроводность таких пленок на порядок выше пленки исходного PANI. Композиты PANI и RGO показывают хорошие свойства в качестве материалов в суперконденсаторах и литиевых батареях.

Создание новых углеродных композитов на основе Г (например, 1сГрО/полианилин и др. [183] вызывает большой интерес, как с фундаментальной точки зрения, так и с практической. В настоящее время сообщается о создании нового углеродного нанокомпозита «нанотрубки + графен», состоящего из самоорганизованной структуры нанотрубок и Г [184]. Г имеет форму листа из одного слоя атомов углерода, а нанотрубка может быть описана как 1сГ, свернутый в цилиндр. Несмотря на то, что они состоят из одних и тех же структурных фрагментов, их характеристики существенно отличаются. Из всех известных в природе материалов углеродные нанотрубки имеют самую высокую теплопроводность и механическую прочность, а Г имеет высокую подвижность электронов. Объединить эти свойства удалось, используя метод химического осаждения из пара в вакуумной камере. Созданный таким путём материал состоял из слоя многостенных нанотрубок, расположенных между несколькими слоями Г.

Проведенные эксперименты показали, что можно с успехом использовать традиционные пути создания матераилов из нанообъектов для получения материалов на основе графена. Вопрос о том, в какой мере при этом сохраняются уникальные свойства однослойного графена остается открытым.

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 1700 | Нарушение авторских прав