Grafitoxid under högt tryck öppnar vägar för nya nanomaterial

Grafitoxid är uppdelat i många lager, precis som den vanliga grafiten som används till blyerts. Det är dock ett större avstånd mellan lagren i grafitoxid och den har också en unik förmåga att infoga olika vätskor mellan lagren. Trots att grafitoxid har studerats i 150 år är materialet fortfarande något av ett mysterium. På senare tid har materialet väckt stort intresse tack vare att  det går att omvandla till grafen, som består av ett enda lager av kolatomer.

Grafen har potiential att fungera som källa för en helt ny typ av material som är väldigt starka samtidigt som de är otroligt lätta. Sådana material kan till exempel användas till nanoelektronik, solceller, vid framställning av papper med överlägsen styrka, men också till bränslesnåla bilar och flygplan.

Grafitoxid kan omvandlas till grafen genom uppvärmning, det räcker faktiskt med enbart en blixt från en vanlig kamera. Andra metoder är att behandla den kemiskt. För att omvandla grafitoxid till grafen mer effektivt behöver forskare mer kunskap om grafitoxid, bland annat hur den beter sig i vätskor och då de yttre förutsättningarna förändras.

– Vi har funnit en mängd olika fenomen när grafitoxid utsätts för högt tryck. Det ger ytterligare möjligheter att utveckla nya grafenbaserade material genom att utsätta grafitoxid för högt tryck och modifiera den kemiskt. Vi kan utan problem infoga stora molekyler mellan grafitoxidens lager tack vare att den expanderar vid högt tryck. När grafitoxidens lager separeras av vätskor är det också mer troligt att lagren fortsätter att vara åtskilda även då trycket minskar. Det förhindrar att grafit bildas och underlättar omvandlingen till grafen, säger Alexandr Talyzin, forskarassistent vid Umeå universitet.   

Förra året rapporterade ett internationellt forskarlag från Sverige, Ungern, Tyskland och Frankrike om en ovanlig egenskap hos grafitoxid. Strukturen expanderade vid högt tryck då de tillsatte vatten. Den nya studien leds av forskare vid Umeå universitet och har genomförts vid Swiss-Norwegian beamline (ESRF, Grenoble). Resultaten visar att inte bara vatten utan även alkoholer, metanol och etanol, kan föras in mellan grafitoxidens lager vid högt tryck.

– Men det sker på ett helt annorlunda sätt än då vatten tillförs. Alkoholen förs in i ett enda steg i ett helt lager vid ett specifikt tryck, medan vatten förs in gradvis utan tydliga steg, förklarar Alexandr Talyzin.

Experiment med en mix av metanol och vatten visade att vatten mellan grafitoxidens lager är flytande och fortsätter att vara det även om överskottsvattnet övergår till fast form runt korn av materialet.

– När vi lättade på trycket frigjordes överskottet av vatten och metanol och det resulterade i en unik “utandningseffekt”. Det är också anmärkningsvärt att vi upptäckte att grafitoxid som utsätts för högt tryck tillsammans med etanol fortsätter att befinna sig i sin expanderade struktur även efter det att vi lättat på trycket, säger Alexandr Talyzin.

Experimenten har utförts med hjälp av den så kallade diamantstädsmetoden (Diamond Anvil Cell Technique). Den utnyttjar två små och spetsiga ”städ” av diamanter för att pressa ihop grafitoxiden och skapa det höga trycket. Materialets fasförändringar har forskarna mätt med hjälp av röntgendiffraktion genom diamanterna.

De nya resultaten är publicerade i J. Am. Chem. Soc. av Alexandr V. Talyzin, Bertil Sundqvist (Sverige), Tamás Szabó, Imre Dekany (Ungern) och Vladimir Dmitriev (Frankrike).

Läs också pressmeddelandet ”Material blir större av högt tryck”:
http://www.info.umu.se/Nyheter/Pressmeddelande.aspx?id=3295

Kontaktinformation
För mer information, kontakta gärna:
Dr Alexandr Talyzin, Institutionen för fysik, Umeå univeristet
Telefon: 090-786 63 20
E-post: alexandr.talyzin@physics.umu.se