Oxyde de graphène
Définition
L'oxyde de graphène est un matériau unique qui peut être considéré comme une seule couche monomoléculaire de graphite avec diverses fonctionnalités contenant de l'oxygène telles que des groupes époxyde, carbonyle, carboxyle et hydroxyle.
L'oxyde de graphène :
La structure moléculaire de l'oxyde de graphène est constituée de carbone, d'hydrogène et d'oxygène.
Explications
La commercialisation du graphène a suscité un intérêt majeur dans la recherche et la technologie, mais son coût élevé et la difficulté de produire de grandes quantités de ce matériau restent un sujet de discussion. Cependant, l'oxyde de graphène est exceptionnellement réalisable pour créer une production évolutive; en fait, il s'agit d'un matériau précurseur intéressant pour une production à grande échelle de matériaux à base de graphène.
Ne pas confondre un oxyde de graphène avec un oxyde de graphite !
Chez l'être humain, l'effet de l'oxyde de graphène est toxique. L'oxyde de graphène active la caspase 3 et induit des dommages à l'ADN dans les cellules HEK293. La surproduction de ROS (espèces réactives de l'oxygène)) peut induire un stress oxydatif, susceptible de soumettre les cellules à des dommages à l'ADN, à une signalisation non régulée, à des modifications de la motilité, à la cytotoxicité, à l'apoptose et à l'initiation du cancer.
L'obtention de graphène avec une production évolutive et à faible coût est viable pour commercialiser le matériau. L'oxyde de graphène est un excellent précurseur du graphène car il possède des traits distinctifs et peut être manipulé pour obtenir la structure moléculaire du graphène après un processus de réduction. L'utilisation des méthodes Hummers modifiées et Staudenmaier s'est avérée très réalisable et courante pour produire efficacement des rendements élevés d'oxyde de graphène. En tant que dérivé du graphène, l'oxyde de graphène s'est avéré posséder des qualités uniques et de nombreuses capacités d'utilisation dans différentes applications.
Description
Le graphène est un allotrope cristallin bidimensionnel avec une structure de réseau hexagonal composée d'atomes de carbone purs. Ils sont surtout connus pour leurs propriétés uniques, notamment une transparence optique élevée, la meilleure conductivité thermique à température ambiante et la capacité d'être flexible, le tout dans un matériau solide de taille nanométrique. Le graphène a été découvert pour la première fois par l'exfoliation mécanique de cristaux de graphite 3D et le décollement d'une seule couche de graphène avec du ruban adhésif. Depuis lors, le graphène a gagné en reconnaissance pour ses attributs et différentes méthodes ont été testées pour trouver le meilleur moyen de produire des quantités à grande échelle à faible coût, mais il reste difficile de le fabriquer avec ces spécifications.
L'oxyde de graphène (GO) s'avère être un excellent précurseur pour obtenir du graphène avec des rendements plus élevés et des coûts inférieurs. Pour obtenir de l'oxyde de graphène, l'oxyde de graphite est d'abord produit en utilisant des cristaux de graphite oxydés avec des agents oxydants puissants, tels que l'acide sulfurique. Grâce à la sonication, le graphite adopte des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène qui permettent au matériau d'être dispersable dans l'eau tout en augmentant la distance intercouche. Ensuite, l'oxyde de graphite peut être exfolié en une ou plusieurs couches d'oxyde de graphène fonctionnalisé par l'oxygène.
La différence entre l'oxyde de graphite et l'oxyde de graphène réside dans leurs structures différentes mais la composition chimique reste la même. L'oxyde de graphène est un matériau monocouche composé de molécules de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, qui devient finalement peu coûteux mais abondant. Cependant, en raison de la perturbation de son hybridation sp2, l'oxyde de graphène a tendance à être décrit comme un isolant électrique plutôt que comme un conducteur. Pour contrecarrer cette perturbation, l'oxyde de graphène peut être réduit pour former de l'oxyde de graphène réduit (rGO) afin de récupérer sa structure de réseau hexagonal et de produire des feuilles de type graphène en éliminant une grande partie des groupes oxygène pour ressembler étroitement au graphène.
Caractéristiques
L'une des caractéristiques les plus importantes de l'oxyde de graphène est qu'il peut être produit à partir de graphite (puisqu'il est peu coûteux) en utilisant différentes méthodes chimiques, ce qui permet une production élevée avec un rapport coût-efficacité exceptionnel. La deuxième caractéristique est que l'oxyde de graphène est très dispersible dans l'eau et peut former des colloïdes aqueux stables afin d'assembler des structures macroscopiques avec des procédés de mise en solution moins coûteux. Bien que la surface de ces feuilles d'oxyde de graphène présente quelques défauts, la taille globale des cellules unitaires reste très similaire à celle du graphène.
Ainsi, l'oxyde de graphène est une version oxydée du graphène qui comprend des groupes contenant de l'oxygène. En raison de la présence de différents groupes fonctionnels, l'oxyde de graphène a une élasticité plus faible et son module d'Young dépend de la fonctionnalisation et de la structure moléculaire des groupes fonctionnels.
Synthèse
Actuellement, l'oxyde de graphène peut être synthétisé de différentes manières, telles que la méthode de Hummer modifiée et la méthode Staudenmaier. Les deux méthodes impliquent l'oxydation du graphite mais diffèrent par les acides minéraux, les agents oxydants, le temps de préparation et le type de processus de lavage/séchage.
Dans la méthode Hummers originale, l'oxyde de graphène a été synthétisé en utilisant KMnO4 et NaNO3 dans du H2SO4 concentré. Habituellement, pour la méthode de Hummers modifiée, des réactifs de Hummers additionnés de NaNO3 ont été utilisés. L'oxyde de graphène est produit à partir de poudre de graphite pur qui a été progressivement ajoutée (avec NaNO3) à une concentration chaude de H2SO4.solution qui serait refroidie dans un bain de glace. KMnO4 doit être ajouté lentement pour maintenir la température de réaction en dessous de 20 °C afin d'éviter une surchauffe et des explosions. Pour compléter la réaction avec KMnO4, la suspension serait ensuite traitée avec une solution de H2O2 et lavée avec HCl et H2O. Après filtration et séchage, des feuilles d'oxyde de graphène seraient obtenues. Cette méthode modifiée s'avère être très courante et fiable pour produire des rendements élevés d'oxyde de graphène.
La méthode Staudenmaier est une autre synthèse chimique de l'oxyde de graphène qui a amélioré une méthode déjà existante utilisant du KClO3 pour une suspension de graphite dans du HNO3 fumant; avec la version improvisée, il comprend du H2SO4 concentré supplémentaire et du HNO3 comme agents oxydants. Un KClO3 supplémentaire serait ajouté lentement sur une période d'une semaine au cours de la procédure. Les petits changements ont fourni une procédure simple pour produire de l'oxyde de graphène hautement oxydé.
L'oxyde de graphène comme matériau souple non conventionnel
L'oxyde de graphène est un matériau fascinant. En tant que couche atomique unique fonctionnalisée de carbone, l'épaisseur de l'oxyde de graphène est d'environ 1 nm. D'un autre côté, la longueur latérale des feuilles d'oxyde de graphène peut s'étendre jusqu'au micromètre. Ainsi, l'oxyde de graphène se situe à cheval sur deux échelles de longueur brusquement différentes, typiques des molécules et des matériaux particulaires.
Cette dualité molécule-particule fait de l'oxyde de graphène un matériau intéressant à étudier du point de vue de la chimie et de la science des matériaux. De plus, les échelles de longueur associées à l'oxyde de graphène coïncident avec les échelles de longueur associées aux matériaux mous, tels que les polymères, les colloïdes, les amphiphiles et les cristaux liquides, qui sont maintenus ensemble par de faibles interactions comparables à la fluctuation thermique. La douceur de l'oxyde de graphène se manifeste également du point de vue de la mécanique structurelle : de nombreux matériaux, même les plus durs et cassants, peuvent devenir mous et flexibles lorsque leur rapport d'aspect augmente. Plus particulièrement, la structure chimique de l'oxyde de graphène prédit que l'oxyde de graphène devrait présenter de nombreuses propriétés de matériaux souples.
L'oxyde de graphène peut être considéré comme un polymère 2D constitué d'atomes de carbone dérivés d'oxygène attachés de manière covalente.
L'oxyde de graphène et l'oxyde de graphite ont longtemps été considérés comme hydrophiles en raison de leur bonne dispersabilité dans l'eau.
Cependant, le modèle structurel dominant de l'oxyde de graphène montre que les bords d'une feuille d'oxyde de graphène sont principalement constitués de groupes acide carboxylique ionisables, qui sont hydrophiles. Pendant ce temps, le plan basal est constitué à la fois de groupes fonctionnels hydrophiles contenant de l'oxygène et de domaines aromatiques hydrophobes. Sur la base de ce modèle structurel, une feuille d'oxyde de graphène possède des domaines à la fois hydrophiles et hydrophobes liés de manière covalente, ce qui devrait en faire un amphiphile. Ces propriétés amphiphiles permettent de manipuler les feuilles d'oxyde de graphène via des techniques d'assemblage interfacial telles que l'assemblage Langmuir-Blodgett. Sur la base de cette approche, des relations traitement-structure-propriété des monocouches GO et r-GO peuvent être développées.
Applications
La production importante et pratique de l'oxyde de graphène a conduit à son émergence en tant que précurseur pour la fabrication de films conducteurs transparents (TCF). Puisque l'oxyde de graphène est hydrophile, ils peuvent fabriquer des suspensions colloïdales stables et homogènes dans des solvants aqueux ou organiques polaires, ce qui permet un processus de dispersion facile afin de produire des TCF sur un substrat.
L'utilisation de l'oxyde de graphène monocouche augmente la transparence des films minces en raison de la plus faible concentration de GO dans la dispersion, ce qui permet aux films minces d'obtenir éventuellement une transparence et une conductivité plus élevées. En fait, les TCF fabriqués à partir de GO peuvent même potentiellement remplacer les conducteurs transparents en oxyde d'indium et d'étain.
Pendant ce temps, l'oxyde de graphène fonctionnalisé peut être utilisé comme moyen de fluorescence et photoluminescent en imagerie cellulaire. En fait, la recherche a été menée à l'aide de colorants squaraine chargés à l'intérieur de nanoparticules de silice mésoporeuse, où les surfaces des nanoparticules étaient enveloppées de feuilles d'oxyde de graphène ultrafines. Ce processus peut protéger efficacement le colorant chargé d'une attaque nucléophile et est important pour les applications concernant l'imagerie par fluorescence in vitro.
D'autres applications ont été appliquées aux matériaux de biodétection, de détection et de transport de médicaments en fonction de leur fluorescence.
Synonymes, antonymes
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Mots en O à proximité
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En rapport avec "oxyde de graphène"
Le graphène est une couche unique (monocouche) d'atomes de carbone, étroitement liés dans un réseau hexagonal en nid d'abeille.
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