Zastosowanie technologii LbL do wytwarzania tlenku grafenu
Grafen często jest przedstawiany jako supermateriał ze względu na jego niezwykłą wytrzymałość, małą grubość, przewodność i właściwości optyczne. Jego potencjał osiąga jednak zupełnie inny poziom w połączeniu z innymi materiałami o różnych właściwościach. Wytwarzanie takich materiałów hybrydowych pozwala na modyfikację właściwości grafenu. Zapewnia to badaczom nowe i ekscytujące perspektywy zastosowań, ale może również pozwolić na lepszą integrację grafenu w urządzeniach. Właśnie dlatego dr Sergio Moya z instytutu CIC biomaGUNE (Centre for Cooperative Research in Biomaterials) uruchomił w marcu 2014 r. projekt HIGRAPHEN. Wykorzystując technologię nakładania warstwowego – prostą procedurę funkcjonalizacji powierzchni opartą na stopniowym odkładaniu przeciwnie naładowanych molekuł lub materiałów – pracował nad stworzeniem uniwersalnej, ogólnej procedury wytwarzania hybrydowych urządzeń opartych na połączeniu grafenu z materiałami polimerowymi, organicznymi i nieorganicznymi. „Podstawą technologii nakładania warstwowego (LbL) jest oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy zmontowanymi komponentami”, wyjaśnia dr Moya. „Początkowo ta technika została opracowana na potrzeby montażu polielektrolitów, czyli polimerów z wieloma naładowanymi monomerami. Od tego czasu została jednak rozszerzona na wiele komponentów: filmy polielektrolitowe wytwarzane metodą LbL można łączyć z nanocząsteczkami, lipidami, komórkami, tlenkiem grafenu itd. Zapewnia ona prosty i skuteczny sposób projektowania połączeń faz, a jednocześnie pozwala uniknąć chemicznych oddziaływań kowalencyjnych. Technologia ta może się sprawdzić w wielu zastosowaniach – od membran nanofiltracyjnych po urządzenia optoelektroniczne, inteligentne powłoki i dostarczanie leków”. Zespół projektu chce pójść o krok dalej i skupić się w szczególności na połączeniu tlenku grafenu z nanocząsteczkami metali i tlenków metali, a także polielektrolitów, a przy tym rozważa potencjalne zastosowania w magazynowaniu energii i katalizie. Chociaż technika LbL jest powszechnie stosowana w dziedzinie inżynierii powierzchni i wytwarzaniu cienkich warstw, zespół projektu HIGRAPHEN wykazał się szczególną innowacyjnością, stosując technikę LbL do produkcji heterogenicznych elementów z tlenkiem grafenu. Wspólnie ze swoim zespołem dr Moya przeprowadził najpierw syntezę różnych materiałów, takich jak kropki kwantowe selenku cynku (ZnSe), nanocząsteczki magnetyczne i polimery elektroaktywne, takie jak poliaminobenzyloamina (PABA), a następnie zintegrował je w warstwach wytworzonych techniką LbL z wieloma elementami, w tym tlenkiem grafenu. Następnie zespół projektu HIGRAPHEN zintegrował zespoły w makroskopowych powłokach antykorozyjnych i urządzeniach do zastosowań optoelektronicznych oraz do konwersji energii. „Jednym z głównych wyzwań, przed jakimi stanęliśmy, było uzyskanie gęstego układu tlenku grafenu w połączeniu z polimerami. W rezultacie opracowaliśmy różne metody powlekania tlenku grafenu i łączenia go z nanocząsteczkami”, mówi dr Moya. Generalnie najważniejszym rezultatem projektu jest wykazanie, że tlenek grafenu można wykorzystać do wytworzenia gęstego kompozytu polimerowego oraz że można go łatwo zintegrować z nanocząstkami metalu na potrzeby katalizy. Projekt HIGRAPHEN zostanie ukończony w marcu 2018 r., jednak, jak mówi dr Moya, partnerzy projektu, w oparciu o wyniki, już poszukują interesujących nowych kierunków badań w zakresie wytwarzania urządzeń i przeprowadzania katalizy.
Słowa kluczowe
HIGRAPHEN, warstwowe, grafen, materiały kompozytowe, optoelektronika, konwersja energii, nanomateriały
