p Um novo estudo mostra que a disponibilidade de hidrogênio desempenha um papel significativo na determinação da composição química e estrutural do óxido de grafeno, um material que tem usos potenciais em nanoeletrônica, sistemas nanoeletromecânicos, de detecção, compósitos, ótica, catálise e armazenamento de energia. p O estudo também constatou que, após a produção do material, suas propriedades estruturais e químicas continuam a evoluir por mais de um mês como resultado de contínuas reações químicas com o hidrogênio.

p Compreender as propriedades do óxido de grafeno - e como controlá-las - é importante para perceber as aplicações potenciais do material. Para torná-lo útil para nanoeletrônica, por exemplo, os pesquisadores devem induzir tanto um gap eletrônico quanto uma ordem estrutural no material. Controlar a quantidade de hidrogênio no óxido de grafeno pode ser a chave para manipular as propriedades do material.

p “O óxido de grafeno é um material muito interessante porque é mecânico, propriedades ópticas e eletrônicas podem ser controladas usando tratamentos térmicos ou químicos para alterar sua estrutura, "disse Elisa Riedo, professor associado da Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Mas antes que possamos obter as propriedades que desejamos, precisamos entender os fatores que controlam a estrutura do material. Este estudo fornece informações sobre o papel do hidrogênio na redução do óxido de grafeno em temperatura ambiente. "

p A pesquisa, que estudou o óxido de grafeno produzido a partir de grafeno epitaxial, foi relatado em 6 de maio no jornal Materiais da Natureza . A pesquisa foi patrocinada pela National Science Foundation, o Centro de Pesquisa de Ciência e Engenharia de Materiais (MRSEC) na Georgia Tech, e pelo Departamento de Energia dos EUA.

p O óxido de grafeno é formado pelo uso de processos químicos e térmicos que adicionam principalmente dois grupos funcionais contendo oxigênio à rede de átomos de carbono que compõem o grafeno:espécies epóxido e hidroxila. Os pesquisadores da Georgia Tech começaram seus estudos com grafeno expitaxial multicamadas cultivado sobre uma pastilha de carboneto de silício, uma técnica iniciada por Walt de Heer e seu grupo de pesquisa na Georgia Tech. Suas amostras incluíram uma média de dez camadas de grafeno.

p Depois de oxidar os filmes finos de grafeno usando o método Hummers estabelecido, os pesquisadores examinaram suas amostras usando espectroscopia de foto-emissão de raios-X (XPS). Por cerca de 35 dias, eles notaram o número de grupos funcionais de epóxido diminuindo enquanto o número de grupos hidroxila aumentou ligeiramente. Após cerca de três meses, a proporção dos dois grupos finalmente atingiu o equilíbrio.

p "Descobrimos que o material mudou por si mesmo em temperatura ambiente, sem qualquer estimulação externa, "disse Suenne Kim, um pós-doutorado no laboratório de Riedo. "O grau de instabilidade em temperatura ambiente foi surpreendente."

p Curioso sobre o que pode estar causando as mudanças, Riedo e Kim tiraram suas medidas para Angelo Bongiorno, professor assistente que estuda química de materiais computacionais na Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech. Bongiorno e o estudante de graduação Si Zhou estudaram as mudanças usando a teoria do funcional da densidade, o que sugeriu que o hidrogênio poderia estar se combinando com o oxigênio nos grupos funcionais para formar água. Isso favoreceria uma redução nos grupos de epóxido, que é o que Riedo e Kim estavam vendo experimentalmente.

p "O grupo de Elisa estava fazendo medições experimentais, enquanto fazíamos cálculos teóricos, "Bongiorno disse." Combinamos nossas informações para chegar à ideia de que talvez houvesse hidrogênio envolvido. "

p As suspeitas foram confirmadas experimentalmente, tanto pelo grupo Georgia Tech quanto por uma equipe de pesquisa da Universidade do Texas em Dallas. Esta informação sobre o papel do hidrogênio na determinação da estrutura do óxido de grafeno sugere uma nova maneira de controlar suas propriedades, Bongiorno observou.

p "Durante a síntese do material, poderíamos potencialmente usar isso como uma ferramenta para mudar a estrutura, "disse ele." Compreendendo como usar o hidrogênio, poderíamos adicioná-lo ou retirá-lo, permitindo-nos ajustar a distribuição relativa e a concentração das espécies de epóxido e hidroxila que controlam as propriedades do material. "

p Riedo e Bongiorno reconhecem que seu material - à base de grafeno epitaxial - pode ser diferente do óxido produzido a partir do grafeno esfoliado. A produção de óxido de grafeno a partir de flocos do material envolve processamento adicional, incluindo dissolução em uma solução aquosa e, em seguida, filtrar e depositar o material em um substrato. Mas eles acreditam que o hidrogênio desempenha um papel semelhante na determinação das propriedades do óxido de grafeno esfoliado.

p "Provavelmente temos uma nova forma de óxido de grafeno, aquele que pode ser mais útil comercialmente, embora os mesmos processos também devam estar acontecendo dentro da outra forma de óxido de grafeno, "disse Bongiorno.

p As próximas etapas são entender como controlar a quantidade de hidrogênio no óxido de grafeno epitaxial, e quais condições podem ser necessárias para afetar as reações com os dois grupos funcionais. Em última análise, que pode fornecer uma maneira de abrir um gap eletrônico e, simultaneamente, obter um material à base de grafeno com características de transporte de elétrons comparáveis ​​às do grafeno puro.

p "Ao controlar as propriedades do óxido de grafeno por meio dessa redução química e térmica, podemos chegar a um material que permanece próximo o suficiente do grafeno na estrutura para manter a ordem necessária para as excelentes propriedades eletrônicas, embora tenha o gap necessário para criar transistores, "Riedo disse." Pode ser que o óxido de grafeno seja o caminho para chegar a esse tipo de material. "