Materiais bidimensionais à base de grafeno surgiram recentemente como foco de exploração científica devido às suas excepcionais propriedades estruturais, mecânicas, elétricas, ópticas e térmicas. Entre eles, nanofolhas baseadas em óxido de grafeno (GO), um derivado oxidado do grafeno, com dimensões ultrafinas e extra largas e superfícies ricas em oxigênio são bastante promissoras.



Grupos funcionais contendo oxigênio, como grupos carboxi e hidroxi ácidos, geram cargas negativas densas, tornando as nanofolhas GO coloidalmente estáveis ​​​​em água. Como resultado, eles são blocos de construção valiosos para materiais macios funcionais de próxima geração.

Em particular, as nanofolhas GO termorresponsivas têm atraído muita atenção por suas amplas aplicações, desde membranas e superfícies inteligentes e sistemas recicláveis ​​até atuadores de hidrogel e plataformas biomédicas. No entanto, as estratégias sintéticas predominantes para gerar comportamentos termorresponsivos envolvem a modificação de superfícies de nanofolhas GO com polímeros termorresponsivos, como poli (N -isopropilacrilamida). Este processo é complexo e tem limitações potenciais nos esforços subsequentes de funcionalização.

Para enfrentar este desafio, pesquisadores liderados pelo professor assistente Koki Sano e pelo Sr. Shoma Kondo, do Departamento de Química e Materiais da Universidade Shinshu, no Japão, apresentaram recentemente uma abordagem inovadora chamada "engenharia de contra-cação" para transmitir a capacidade de resposta térmica desejada às próprias nanofolhas GO. . Seu trabalho foi publicado em ACS Applied Materials &Interfaces .

Sano explica:"Este estudo apresenta uma rota simplificada e eficiente para alcançar a capacidade de resposta térmica, capitalizando os contra-cátions (íons carregados positivamente) inerentemente presentes nas nanofolhas GO. O controle sobre esses contra-cátions oferece uma ferramenta poderosa para a engenharia de nanomateriais responsivos a estímulos."

Em seu estudo, os pesquisadores estabeleceram um protocolo sintético robusto envolvendo uma reação em duas etapas em água para sintetizar nanofolhas GO com contracátions específicos. Uma reação de troca primeiro substituiu os contracátions dos grupos carboxi e hidroxila ácidos por prótons. Isto foi seguido por uma reação ácido-base usando um ânion hidróxido com os contra-ânions alvo, resultando nas nanofolhas GO desejáveis.

Investigações sistemáticas sobre seu comportamento termorresponsivo revelaram que nanofolhas GO contendo tetrabutilamônio (Bu₄ N ⁺ ) os contracátions exibiram uma natureza termorresponsiva inerente em ambientes aquosos sem exigir quaisquer polímeros termorresponsivos.

Além disso, os pesquisadores demonstraram uma transição sol-gel reversível marcada por processos de automontagem e desmontagem. Após aquecimento, o Bu₄ lamelar N ⁺ - nanofolhas GO baseadas em repulsão eletrostática (estado sol) entre elas remontadas para formar uma rede interconectada dominada pela atração de van der Waals (estado de gel).

Esta transição notável pode, de fato, ser aproveitada para desenvolver uma tinta de escrita direta para a construção de arquiteturas de gel projetáveis ​​tridimensionalmente das nanofolhas GO, apontaram os pesquisadores.

No geral, as descobertas do estudo têm implicações profundas. "A síntese controlada de nanofolhas GO com contracátions personalizados revelou um caminho para materiais termorresponsivos versáteis e simplificados. As nanofolhas GO termorresponsivas são blocos de construção promissores para aplicações biomédicas, energéticas e ambientais, como membranas inteligentes, robótica suave e sistemas recicláveis, atuadores de hidrogel e soluções biomédicas", diz o Dr. Sano.

“Além disso, a capacidade de escrever diretamente com dispersões de nanofolhas GO oferece uma nova dimensão ao design de materiais, permitindo a construção de estruturas de gel complexas com facilidade”, conclui.

Mais informações: Koki Sano et al, Engenharia de contracação de nanofolhas de óxido de grafeno para transmitir uma capacidade de resposta térmica, ACS Applied Materials &Interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.3c07820
Informações do diário: Materiais Aplicados e Interfaces ACS

Fornecido pela Universidade Shinshu