Химики разобрались с механизмом восстановления оксида графена

Исследователи Томского Политеха при участии коллег из Китая и Австрии сумели понять, по какому механизму лазерное излучение восстанавливает оксид графена. Достаточно неожиданно выяснилось, что механизм реакции – фотохимический и восстановление происходит без участия нагрева вещества, как это считалось ранее. У нового открытия, поддержанного грантом Российского научного фонда и опубликованного в престижном Nature Communications, есть два практических следствия: более экономичные пути синтеза восстановленного оксида графена и новые способы защиты от подделок.

Оксид графена – двумерный материал, известный еще с позапрошлого века. Восстановление его различными путями приводит к снижению количества атомов кислорода в материале, а полученный материал – восстановленный оксид графена (rGO) обладает высокой тепло- и электропроводностью и может использоваться в электронике и электротехнике для различных сенсоров, датчиков и накопителей энергии, а также для получения аэрогелей. При этом восстановленный оксид графена сравнительно дешев и обладает управляемой функциональностью.

Довольно часто оксид графена восстанавливают лазером: прямым воздействием излучения видимого спектра. Этот метод представляет собой самый перспективный вариант трансфера технологии из лаборатории в промышленность, однако до сих пор на этом пути оставался барьер: неизвестный механизм реакции. Чаще всего исследователи предполагали термический механизм: лазер нагревает материал, и в результате под действием температуры при достижении некоего порога связи кислород-углерод рвутся. Однако была и другая возможность: прямое фотохимическое разложение этих связей. Возможна была и комбинация механизмов.

Исследователи из Томска с коллегами из Горного университета Леобена (Австрия), Северо-западного политехнического университета (Китай) и Сычуаньского университета (Китай) предложили изящный эксперимент: нанесенный на стеклянную подложку оксид графена в течение минуты восстанавливали лазерами трех длин волн: 405 нанометров (синий), 532 нанометра (зеленый) и 633 нанометра (красно-оранжевый) на разных мощностях – от 10 микроватт до 2,35 милливатта. В экспериментах авторы обнаружили неожиданный факт: после начала облучения оксид графена какое-то время светился красным светом. Сам факт фотолюминесценции – еще не неожиданность, но интенсивность фотолюминесценции графена не коррелировала со степенью нагрева. Так, под действием красно-оранжевого лазера материал нагревался в 5,75 раз сильнее, чем под действием синего, тогда как свечение, сопровождающее восстановление, в обоих образцах было одинаковым. Это могло означать только одно: главный механизм реакции – разрыв связей кислород-углерод в результате прямого действия лазерного излучения, который происходит еще до нагрева материала выше порогового уровня.