산화 흑연

Graphite oxide
1998년[1] 기능군과 함께 제안된 구조.A: 에폭시 브릿지, B: 하이드록실기, C: 쌍방향 카르복실기.

그라파이트 옥사이드(graphite oxide, GO)는 그라파이트 옥사이드(graphite oxide) 또는 그라파이트 산(graphite acid)으로 불리던 것으로, 탄소, 산소 및 수소의 비율이 가변적인 화합물로서, 그라파이트를 강한 산화제와 여분의 금속을 용해시키기 위한 산으로 처리하여 얻어집니다.최대 산화된 벌크 제품은 C:O 비율이 2.1과 2.9 사이인 노란색 고체로 흑연의 층 구조를 유지하지만 [2][3]간격이 훨씬 크고 불규칙합니다.

벌크 물질은 [4]자발적으로 기본 용액에 분산되거나 극성 용매에 초음파 처리에 의해 분산되어 흑연의 단층 형태인 그래핀에 비유하여 산화그래핀으로 알려진 단분자 시트를 생성할 수 있습니다.그래핀 옥사이드 시트는 강한 종이와 같은 물질, 막, 박막 및 복합 물질을 제조하는 데 사용되어 왔습니다.처음에 산화그래핀은 그래핀 제조를 위한 가능한 중간체로서 상당한 관심을 끌었습니다.산화그래핀의 환원에 의해 얻어진 그래핀은 여전히 많은 화학적 및 구조적 결함을 가지고 있으며, 이는 일부 응용 분야에서는 문제가 되지만 [5][6]일부 응용 분야에서는 이점이 됩니다.

연혁 및 준비

산화 흑연은 옥스퍼드 화학자 벤자민 C에 의해 처음으로 제조되었습니다. 브로디는 1859년에 흑연에 염소산 칼륨과 [7]질산을 혼합하여 처리했습니다.그는 0.05mm 두께의 "종이와 같은 포일"의 합성을 보고했습니다.1957년 허머스와 오프먼은 황산 HSO24, 질산나트륨3 NaNO, 과망간산칼륨 KMnO의4 혼합물을 사용하여 허머스 방법이라고 불리는 더 안전하고, 더 빠르고, 더 효율적인 공정을 개발했습니다. 이는 여전히 널리 사용되고 있으며, 종종 약간의 [2][8][9]수정을 통해 사용됩니다.매우 온전한 탄소 골격과 최소의 잔류 불순물 농도를 가진 가장 큰 단층 GO는 고순도 반응물과 [10]용매를 사용하여 비활성 용기에서 합성할 수 있습니다.

흑연산화물은 산화정도와 합성방법에 따라 [11][12]매우 다양한 특성을 보입니다.예를 들어, 폭발적 박리의 온도점은 일반적으로 Brodie 방법으로 제조된 흑연산화물이 Hummers 흑연산화물과 비교하여 높은 편이며, 동일한 가열 [13]속도로 최대 100도 차이가 납니다.Brodie와 Hummers 흑연산화물의 수화 및 용해 특성도 확연히 다릅니다.[14]

최근에 HSO와 KMnO의 혼합물을 사용하여 개방된 탄소 나노튜브를 세로로 자르는 데 사용하여 그래핀의 미세하고 평평한 리본을 만들었습니다. 그래핀은 폭이 작고 가장자리가 산소 원자(=O) 또는 하이드록실기(-OH)에 의해 "분리"됩니다.

그라파이트(그래핀) 산화물은 또한 유일한 공급원이 포도당인 "보텀업" 합성법(Tang-Lau법)을 사용하여 제조되었으며, 이는 강력한 산화제가 포함된 전통적인 "톱다운"법에 비해 공정이 안전하고 간단하며 환경 친화적입니다.Tang-Lau 방법의 또 다른 중요한 장점은 성장 [16]매개변수를 조정하여 단층에서 다층에 이르는 두께를 제어하는 것입니다.

구조.

산화 흑연의 구조와 성질은 특정 합성 방법과 [11][12]산화 정도에 따라 달라집니다.일반적으로 모 흑연의 층 구조를 유지하지만, 층들은 버클링(buckling)되어 있고 층간 간격은 흑연의 약 2배(~0.7 nm) 정도입니다.엄밀하게 말하면 "산화물"은 부정확하지만 역사적으로 확립된 이름입니다.산화 그룹(산소 원자) 외에도 실험적으로 발견된 다른 작용 그룹은 카보닐(C=O), 하이드록실(-OH), 페놀 및 황산을 사용하여 제조된 흑연 산화물의 경우(예: 허머스 방법) 황의 일부 불순물은 종종 유기 황산 그룹의 형태로 발견됩니다.층들의 강력한 무질서와 불규칙한 포장으로 인해 세부적인 구조는 여전히 이해되지 않습니다.

산화그래핀층은 [17][18]약 1.1 ± 0.2 nm 두께입니다.스캐닝 터널 현미경은 산소 원자가 격자 상수 0.27 nm × 0.41 [18][23]nm의 직사각형 패턴으로 배열된 국소 영역의 존재를 보여줍니다.각 층의 가장자리는 카르복실과 카르보닐기로 [17]끝납니다.X선 광전자 분광법은 사용되는 특정 산화 방법에 따라 여러1s C 피크의 존재, 그 수 및 상대적인 강도를 보여줍니다.특정 탄소 기능화 유형에 이러한 피크를 할당하는 것은 다소 불확실하며 여전히 논의 중입니다.예를 들어, 한 가지 해석은 다음과 같습니다. 비보정 링 컨텍스트(284.8 eV), C-O(286.2 eV), C=O(287.8 eV) 및 O-C=O(289.0 eV).밀도 함수 이론 계산을 이용한 또 다른 해석은 다음과 같습니다.작용기 및 오각형(283.6 eV) 등의 결함이 있는 C=C, C=C(비보정환맥락)(284.3 eV), 기저면에서 spC-H, 작용기가 있는 C=C(285.0 eV), 작용기가 있는 C=O 및 C=C, C-O(286.5 eV), O-C=O(288.3 eV).

흑연 산화물은 친수성이며 수증기에 노출되거나 액체 상태의 물에 잠기면 쉽게 수화되므로 면간 거리(포화 상태에서 최대 1.2 nm)가 현저하게 증가합니다.또한 고압 유도 [26]효과로 인해 추가 물이 층간 공간에 통합됩니다.액체 물에서 흑연 산화물의 최대 수화 상태는 2-3개의 물 단일층의 삽입에 해당합니다.그래파이트 옥사이드2/HO 샘플을 냉각하면 "의사 음성 열팽창"이 발생하고 물의 어는점 이하로 냉각하면 물 단일층이 탈삽입되고 격자 [14]수축이 발생합니다.60-80 °C에서 가열하면 재료가 부분적으로 분해되고 열화되기 때문에 구조물에서 물을 완전히 제거하기는 어려울 것으로 보입니다.

고온에서 흑연산화물 각질 제거,[27] 동영상 캡처박리는 샘플 부피가 10배 증가하고 그래핀 층 [28]두께가 적은 입자로 탄소 분말이 형성됩니다.

흑연 산화물은 물과 유사하게 다른 극성 용매, 예를 들어 알코올을 쉽게 포함합니다.그러나 Brodie와 Hummers 흑연 산화물에서는 극성 용매의 삽입이 상당히 다르게 발생합니다.브로디 흑연 산화물은 주변 조건에서 액체 용매가 과량으로 사용 가능할 때 알코올 및 여러 다른 용매(예: 디메틸포름아미드 및 아세톤)의 단일층에 의해 삽입됩니다.그래파이트 옥사이드 층의 분리는 [29]알코올 분자의 크기에 비례합니다.과량의 액체 메탄올, 에탄올, 아세톤 및 디메틸포름아미드에 침지된 브로디 흑연 산화물의 냉각은 추가적인 용매 단층의 단계적 삽입 및 격자 팽창을 초래합니다.X선 회절 및 시차 주사 열량 측정(DSC)에 의해 감지된 상전이는 가역적이며, 샘플이 [30]저온에서 가열될 때 용매 단층의 탈삽입이 관찰됩니다.추가적인 메탄올 및 에탄올 단일층은 고압 [29]조건에서 Brodie 흑연 산화물의 구조에 가역적으로 삽입됩니다.

허머 흑연 산화물은 주변 온도에서 두 개의 메탄올 또는 에탄올 단일층과 함께 삽입됩니다.과량의 액상 알코올 중 Hummers graphite oxide의 층간 거리는 온도 감소에 따라 점차 증가하여 메탄올과 에탄올의 경우 140 K에서 각각 19.4 Å 및 20.6 Å에 달합니다.냉각 시 Hummers 흑연 산화물 격자의 점진적인 확장은 적어도 두 [31]개의 용매 단층의 추가 삽입에 해당합니다.

흑연산화물은 [28]활성탄과 유사한 미세하게 분산된 비정질 탄소를 생성하여 중간 고온(~280~300℃)에서 급속 가열하면 각질이 제거되고 분해됩니다.

특징화

(A) GO(검은색)의 분획된 GO, (B) XRD, (C) 라만 및 (D) FTIR 스펙트럼, 더 산화된 GOw 분획(파란색) 및 덜 산화된 GOe 분획(빨간색)[11]의 이미지.

일반적으로, GO [34]샘플은 XRD, FTIR, 라만, XPS, AFM, TEM, SEM/EDX [11][32][33][25]등을 이용하여 분석됩니다.흑연/그래핀 산화물의 실험 결과는 [35][36]계산에 의해 상세하게 분석되었습니다.GO 시트 상의 산소 기능성의 분포는 다분산(polydispersion)이기 때문에,[11] 분획법은 산화에 기초하여 GO 시트를 특성화하고 분리하는 데 사용될 수 있습니다.다양한 합성 방법은 다양한 종류의 산화 그래핀을 생성합니다.유사한 산화 방법과 다른 배치도 정제 또는 담금질 [11]공정의 변동으로 인해 특성에 차이가 있을 수 있습니다.

지표면 특성

산화그래핀의 표면을 변형하여 [33][37]성질을 변화시키는 것도 가능합니다.산화그래핀은 독특한 표면 특성을 가지고 있어서 다양한 에멀젼 [33][11]시스템을 안정화시키는 매우 좋은 계면활성제 물질입니다.산화 그래핀은 계면에 [38][33]의해 분리된 두 상의 표면 에너지 차이로 인해 에멀젼 시스템의 계면에 남아 있습니다.

물과의 관계

액체 [39]상태의 물 속의 산화그래핀.

그래파이트 옥사이드는 습도에 비례하여 수분을 흡수하고 액체 상태의 물에서 부풀어 오릅니다.흑연산화물이 흡수하는 물의 양은 특정 합성법에 따라 달라지며, 강한 온도 의존성을 보입니다.

브로디 흑연 산화물은 물/[40]메탄올 혼합물로부터 메탄올을 일정 범위의 메탄올 농도로 선택적으로 흡수합니다.

흑연 산화물로부터 제조된 막(최근에는 종종 "그래핀 산화물" 막으로 불림)은 진공으로 단단하고 질소와 산소에는 불침투성이지만 수증기에는 투과성입니다.막은 또한 "저분자량의 물질"에 대해서도 불침투성입니다.흑연 산화물 [41]구조의 팽윤으로 인해 극성 용매에 의한 흑연 및 그래핀 산화물 막의 침투가 가능합니다.팽창 상태에 있는 막은 헬륨과 같은 기체로도 투과할 수 있습니다.산화그래핀 시트는 액체 상태의 물에서 화학적으로 반응하여 작은 [39]음전하를 얻도록 유도합니다.

건조 흑연 산화물의 층간 거리는 ~6~7 Å로 보고되었으나, 액체 상태의 물에서는 실온에서 11~13 Å까지 증가합니다.격자 팽창은 더 낮은 온도에서 더 강해집니다.희석된 NaOH에서 층간 거리는 무한대에 이르렀고, 이로 인해 흑연 산화물이 용액 내에서 단층 그래핀 산화물 시트로 분산되었습니다.산화 흑연은 KCl, HCl, CaCl2, MgCl2, BaCl2 용액과 같은 물질의 양이온 교환막으로 사용될 수 있습니다.막은 산화그래핀 층 [41]사이를 관통할 수 있기 때문에 큰 알칼리 이온에 의해 투과성이 있었습니다.

적용들

광비선형

비선형 광학 재료는 초고속 광전자와 광전자에 매우 중요합니다.최근, 산화그래핀(GO)의 거대한 광학적 비선형성은 많은 [42]응용에 유용한 것으로 입증되었습니다.예를 들어, GO의 광학적 한계는 레이저로 인한 손상으로부터 민감한 기기를 보호하는 데 필수적입니다.그리고 포화 흡수는 펄스 압축, 모드 잠금 및 Q 전환에 사용할 수 있습니다.또한 비선형 굴절(Kerr effect)은 올-광학 스위칭, 신호 재생 및 빠른 광통신과 같은 응용 분야에서 중요합니다.

GO의 가장 흥미롭고 독특한 특성 중 하나는 화학적 또는 물리적 환원 방법을 통해 산소-함유 그룹의 함량을 조절함으로써 GO의 전기적 및 광학적 특성을 동적으로 조절할 수 있다는 것입니다.레이저 조사휘도의 지속적인 증가를 통한 레이저 유도 저감 과정에서 광학적 비선형성의 튜닝이 입증되었으며, 4단계의 다양한 비선형성 활동이 발견되었으며, 이는 [43]새로운 비선형 기능 소자의 유망한 고체 상태 재료로 활용될 수 있을 것입니다.그리고 금속 나노입자는 산화그래핀의 광학적[44] 비선형성과 형광을[45] 크게 향상시킬 수 있습니다.

그래핀 제조

흑연산화물은 전자적 특성이 뛰어난 물질인 그래핀의 대규모 생산과 조작이 가능한 경로로 많은 관심을 끌고 있습니다.그래파이트 옥사이드 자체는 [46]절연체로 거의 반도체이며 바이어스 전압 10V에서 [46]1~5×10−3 S/cm 사이의 차동[11] 전도도를 가지고 있습니다.그러나 산화 흑연은 친수성이기 때문에 물속에서 쉽게 분산되어 주로 한 층 두께의 거시적인 플레이크로 분해됩니다.이러한 플레이크의 화학적 감소는 그래핀 플레이크의 정지를 초래할 것입니다.1962년 [47]한스-피터 보임(Hans-Peter Boehm)에 의해 그래핀에 대한 최초의 실험적 관찰이 보고되었다고 주장되었습니다.이 초기 연구에서 단층 환원 그래핀 산화물 플레이크의 존재가 입증되었습니다.보엠의 공헌은 최근에 그래핀 [48]연구 부문 노벨상 수상자인 안드레 게임에 의해 인정되었습니다.

부분적인 감소는 정지된 산화그래핀을 100 °C에서 [24]24 시간 동안 하이드라진 수화물로 처리하거나, 산화그래핀을 수소 플라즈마에 [46]몇 초 동안 노출하거나, 크세논 플래시와 [49]같은 강한 빛의 펄스에 노출시킴으로써 달성될 수 있습니다.산화 프로토콜로 인해 산화그래핀에 이미 존재하는 매니폴드 결함은 환원의 효과를 저해합니다.따라서 환원 후 얻어지는 그래핀 품질은 전구체 품질(산화그래핀)과 환원제의 [50]효율에 의해 제한됩니다.그러나, 이 경로에 의해 얻어진 그래핀의 전도도는 10 S/[49]cm 이하이며, 전하 이동도는 0.1~102 cm/V [46][51][52]사이입니다.이 값들은 산화물 값보다 훨씬 크지만, 여전히 자연 [46]상태의 그래핀 값보다 몇 배나 낮습니다.최근에는 흑연산화물에 대한 합성 프로토콜을 최적화하고 탄소 골격이 보존된 거의 온전한 그래핀 산화물을 얻었습니다.이 거의 온전한 그래핀 산화물의 감소는 훨씬 더 나은 성능을 발휘하며 최상의 [53]플레이크 품질을 위해 전하 캐리어의 이동도 값은 1000cm2/V를 초과합니다.원자력 현미경으로 검사하면 산소 결합이 탄소 층을 왜곡하여 환원 후에도 지속되는 산화물 층에 뚜렷한 고유 거칠기를 생성하는 것으로 나타납니다.이러한 결함은 [46]산화그래핀의 라만 스펙트럼에서도 나타납니다.

또한 많은 양의 그래핀 시트가 열 방법을 통해 생산될 수도 있습니다.예를 들어, 2006년에 흑연산화물을 1050 ℃로 급속 가열(>2000 ℃/min)함으로써 박리와 환원을 동시에 수행하는 방법이 발견되었습니다.이 온도에서 이산화탄소는 산소 기능이 제거되면서 방출되고 시트가 [54]밖으로 나오면서 폭발적으로 분리됩니다.

LightScribe DVD의 레이저에 산화 흑연 필름을 노출시키는 것은 또한 [55]저렴한 비용으로 고품질의 그래핀을 생산하는 것으로 밝혀졌습니다.

산화그래핀은 또한 3D 프린팅 된 공학적인 대장균 [56]박테리아 패턴을 사용하여 현장에서 그래핀으로 환원되었습니다.현재 연구자들은 무독성 물질을 이용하여 산화그래핀을 환원시키는데 집중하고 있으며, 차와 커피 가루, 레몬 추출물과 항산화 물질을 기반으로 한 다양한 식물들이 널리 [57]사용되고 있습니다.

정수

흑연산화물은 1960년대부터 [58]역삼투법을 이용한 물의 담수화를 위해 연구되었습니다.2011년에는 추가적인 연구가 [59]발표되었습니다.

2013년 Lockheed Martin은 Perforne 그래핀 필터를 발표했습니다.록히드 사는 이 필터가 역삼투압 담수화의 에너지 비용을 99% 절감한다고 주장합니다.록히드사는 이 필터가 시중에 판매되고 있는 최고의 필터보다 500배나 더 얇았고, 천 배나 더 강하고,[60] 1%의 압력이 필요하다고 주장했습니다.이 제품은 [61]2020년에나 출시될 것으로 예상되었습니다.

또 다른 연구는 흑연 산화물이 물이 통과할 수 있도록 설계될 수 있지만 더 큰 [60]이온을 일부 보유할 수 있다는 것을 보여주었습니다.좁은 모세혈관은 단층 또는 복층수에 의한 신속한 침투를 가능하게 합니다.다층 라미네이팅은 수분이 없는 조건에서 기계적 강도를 제공하는 Nacre와 유사한 구조를 가지고 있습니다.헬륨은 습도가 없는 상태에서는 막을 통과할 수 없지만 습도에 노출되면 쉽게 침투하는 반면 수증기는 저항 없이 통과합니다.건조한 라미네이트는 진공밀폐형이지만, 물에 담그면 분자 체의 역할을 하여 일부 [62]용질을 막습니다.

세 번째 프로젝트는 아나노 스케일 (0.40 ± 0.24 nm) 기공을 가진 그래핀 시트를 생산했습니다.그래핀은 갈륨 이온으로 폭격을 받았는데, 이것은 탄소 결합을 방해합니다.산화 용액으로 결과를 식각하면 갈륨 이온에 의해 부딪힌 각 지점에 구멍이 생깁니다.평균 기공 크기는 산화 용액에서 사용된 시간의 길이에 따라 결정됩니다.기공도는 제곱센티미터당 5조 개에 달하며 구조적으로 완전성을 유지했습니다.기공은 기공 가장자리에서 음으로 대전된 작용기의 정전기적 반발력과 일치하는 짧은 산화 기간 후 양이온 수송을 허용했습니다.더 긴 산화 기간 이후, 시트는 소금에 투과성을 띠었지만 더 큰 유기 [63]분자는 아니었습니다.

2015년 연구팀은 그래핀 옥사이드 티를 개발하여 하루 동안 수용액 [64]중 중금속의 95%를 제거했습니다.

한 개는 층층이 쌓인 탄소 원자를 벌집 구조로 투사하여 폭과 길이가 약 0.1 밀리미터인 육각형 모양의 결정체를 형성하고 나노미터 단위의 구멍을 형성합니다.이후의 연구는 막 크기를 수 [65]밀리미터 정도로 늘렸습니다.

초기에는 폴리카보네이트 지지구조에 부착된 그래핀이 염분 제거에 효과적이었습니다.하지만 그래핀에 결함이 생겼습니다.큰 결함은 나일론으로, 작은 결함은 하프늄 금속으로 메운 뒤 산화물층을 형성하면 여과 [65]효과가 회복되었습니다.

2016년 공학자들은 더러운/염수를 걸러낼 수 있는 태양에 의해 구동되는 그래핀 기반의 필름을 개발했습니다.박테리아는 두 개의 나노 셀룰로오스 층으로 이루어진 물질을 생산하는 데 사용되었습니다.하층에는 순수한 셀룰로오스가, 상층에는 셀룰로오스와 산화그래핀이 들어있어 햇빛을 흡수해 열을 만들어냅니다.이 시스템은 아래로부터 물을 재료 안으로 끌어들입니다.물은 상층부로 확산되어 증발하고 오염 물질을 남깁니다.증발기는 포획할 수 있는 상부에 응축됩니다.이 필름은 경화되는 유체 코팅을 반복적으로 첨가하여 제조됩니다.박테리아는 산화그래핀 플레이크가 산재한 나노 셀룰로오스 섬유를 생성합니다.필름은 가볍고 [66]크기에 따라 쉽게 제조할 수 있습니다.

코팅

산화그래핀으로 만들어진 광학적으로 투명한 다층 필름은 건조한 조건에서는 불침투성입니다.물(또는 수증기)에 노출되면, 그들은 특정 크기 이하의 분자의 통과를 허용합니다.그 필름들은 나노 크기의 모세혈관을 그 사이에 두고 무작위로 쌓여 있는 수백만 개의 조각들로 이루어져 있습니다.아이오딘화 수소산으로 화학적 환원을 사용하여 이러한 나노 모세관을 폐쇄하면 100 나노미터 두께 이상의 가스, 액체 또는 강한 화학 물질에 완전히 불침투성인 "환원된 산화 그래핀"(r-GO) 필름이 생성됩니다.이러한 그래핀 "페인트"로 덮인 유리 식기류 또는 구리판은 부식성 산의 용기로 사용될 수 있습니다.그래핀으로 코팅된 플라스틱 필름은 유통기한을 개선하기 위해 의료용 [67][better source needed]포장에 사용될 수 있습니다.

관련자료

분산된 산화그래핀 플레이크는 또한 (종이 제조에서와 같이) 분산액 밖으로 선별되고 가압되어 매우 강한 산화그래핀 [16]종이를 만들 수 있습니다.

산화그래핀은 DNA 분석 응용에 사용되어 왔습니다.산화그래핀의 큰 평면 표면은 서로 다른 염료로 표지된 여러 DNA 탐침을 동시에 퀀칭할 수 있게 하여 동일한 용액에서 여러 DNA 타겟의 검출을 제공합니다.산화그래핀 기반 DNA 센서의 추가적인 발전은 매우 저렴한 신속한 DNA [68]분석 결과를 가져올 수 있습니다.최근 이탈리아 라킬라 대학의 한 연구팀은 900°C까지 초고진공에서 열적으로 환원된 산화그래핀의 새로운 습윤 특성을 발견했습니다.그들은 표면 화학적 조성, 표면 자유 에너지, 그리고 그것의 극성 성분과 분산 성분 사이의 상관관계를 발견했고,[69][70] 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀의 습윤 특성에 대한 근거를 제공했습니다.

유연한 충전식 배터리 전극

그래핀 옥사이드는 상온 리튬[71] 이온 [72][73]및 나트륨 이온 배터리를 위한 유연한 자립형 배터리 음극 재료로 입증되었습니다.리튬-황 전지 [74]음극에서 높은 표면적 전도제로서도 연구되고 있습니다.산화그래핀 상의 작용기는 화학적 변형과 활성종의 고정화를 위한 장소로 사용될 수 있습니다.이 방법을 통해 전극 재료를 위한 하이브리드 아키텍처를 만들 수 있습니다.최근의 예들은 낮은 용량 제한의 비용으로 충전이 가능한 것으로 알려진 리튬 이온 배터리에 구현되었습니다.금속산화물과 황화물로 기능화된 산화그래핀계 복합재는 최근 연구에서 향상된 배터리 성능을 유도하는 것으로 나타났습니다.그래핀 산화물의 전자적 특성으로 인해 일반적인 전이금속 산화물 전극의 일부 일반적인 제한을 우회할 수 있기 때문에 이는 슈퍼커패시터의 응용 분야에도 유사하게 적용되었습니다.이 분야의 연구는 용량을 향상시키기 [75]위해 질소 도핑과 pH 조절을 포함하는 방법에 대한 추가적인 탐색과 함께 발전하고 있습니다.또한, 순수 그래핀과 유사한 우수한 전자적 특성을 나타내는 환원된 그래핀 산화물 시트에 대한 연구가 진행되고 있습니다.산화그래핀 감소는 전도성과 효율성을 크게 높이는 동시에 유연성과 [76][77][78]구조적 무결성을 어느 정도 희생시킵니다.

산화그래핀렌즈

주요 기사 : 그래핀 렌즈

광학 렌즈는 약 3000년 전에 발명된 이래로 과학과 기술의 거의 모든 분야에서 중요한 역할을 해오고 있습니다.마이크로 및 나노 제작 기술의 발전에 따라, 기존 광학 렌즈의 지속적인 소형화가 통신, 센서, 데이터 스토리지 및 다양한 기술 기반 및 소비자 주도 산업과 같은 다양한 응용 분야에서 항상 요구되어 왔습니다.특히, 초소형 구조의 서브파장 광학 또는 나노 광학, 특히 가시광선 및 근IR 응용을 위해 더 작은 크기 및 더 얇은 두께의 마이크로 렌즈가 매우 필요합니다.또한, 광통신을 위한 거리 스케일이 줄어들면서 마이크로 렌즈의 필요한 특징 크기가 급격히 감소합니다.

최근 새롭게 발견된 산화그래핀의 우수한 특성은 기존 평면 포커싱 장치의 어려움을 극복할 수 있는 새로운 해결책을 제공합니다.구체적으로, 산화그래핀(GO)과 환원된 산화그래핀(rGO) 사이에서 기존 물질보다 1배 큰 크기의 거대 굴절률 변형(10^-1 크기)을 직접 레이저 필기(DLW) 방법을 이용하여 산소 함량을 동적으로 조작하여 입증하였습니다.따라서 전체 렌즈 두께를 10배 이상 줄일 수 있습니다.또한, GO의 감소가 깊어질수록 GO의 선형 광 흡수가 증가하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 GO와 rGO 사이의 전송 대조를 초래하므로 진폭 변조 메커니즘을 제공합니다.더욱이, 굴절률과 광학 흡수 모두 가시광선에서 근적외선까지의 넓은 파장 범위에 걸쳐 무분산인 것으로 밝혀졌습니다.마지막으로, GO 필름은 마스크리스 DLW 방식을 사용하여 유연한 패터닝 능력을 제공하므로 제조의 복잡성과 요구사항이 감소됩니다.

따라서, 최근에는 DLW [79]방식을 이용한 GO 박막 상의 새로운 초박형 평면 렌즈가 실현되고 있습니다.GO 플랫 렌즈의 특징은 위상 변조와 진폭 변조가 동시에 가능하다는 점이며, 이는 그 저감 과정에서 GO의 거대한 굴절률 변조와 가변적인 선형 광 흡수에 기인합니다.향상된 파면 성형 기능으로 인해 렌즈 두께는 기존의 모든 유전체 렌즈(~ ㎛ 스케일)보다 얇은 서브파장 스케일(~200nm)로 떨어집니다.초점 세기와 초점 거리는 레이저 파워와 렌즈 크기를 각각 달리하여 효과적으로 조절할 수 있습니다.DLW 공정 중 오일 침지 고수치 조리개(NA) 목표를 사용하여 GO 필름에 300nm 제작 피쳐 사이즈를 실현하였으며, 따라서 최소 렌즈 사이즈를 최소 평면 마이크로 렌즈인 직경 4.6㎛까지 축소하여 FIB에 의해서만 메타표면으로 구현할 수 있습니다.그 후, 초점 거리를 0.8 ㎛로 줄일 수 있고, 이는 잠재적으로 개구수(NA)와 초점 분해능을 증가시킬 수 있습니다.

650nm 입력 빔을 사용하는 최소 초점 지점에서 320nm의 FWHM(Full Width at Half-Maximum)이 실험적으로 입증되었으며, 이는 현재 마이크로 렌즈의 가장 큰 NA인 1.24(n=1.5)의 유효 NA에 해당합니다.또한, 동일한 평면 렌즈로 500 nm에서 최대 2 ㎛까지의 초광대역 집속 능력이 실현되었으며, 이는 적합한 재료 및 제작 기술의 제한으로 인해 적외선 범위에서 집속하는 것이 여전히 주요한 과제입니다.무엇보다 중요한 것은 합성된 고품질의 GO 박막을 다양한 기판에 유연하게 집적할 수 있고, 비교적 저렴한 비용과 파워(~nJ/pulse)로 대면적에 걸쳐 원스텝 DLW 방식을 사용하여 손쉽게 제조할 수 있으므로, GO 플랫 렌즈는 결국 다양한 실용적 응용을 약속하게 됩니다.

에너지 변환

광촉매 물 쪼개기는 물이 수소(H2)와 산소(O2)로 분리되는 인공 광합성 과정으로, 인공 또는 자연광을 이용합니다.현재 청정에너지원으로 수소를 생산하기 위해 광촉매 물 쪼개기 등의 방법이 연구되고 있습니다.산화그래핀 시트의 우수한 전자 이동도와 높은 표면적은 이 공정의 요구조건을 만족시키는 촉매로서 구현될 수 있음을 시사합니다.구체적으로, 산화그래핀(graphene)의 에폭시(-O-) 및 수산화물(-OH)의 조성 작용기는 물 분할 과정에서 보다 유연한 제어를 가능하게 합니다.이러한 유연성은 광촉매 물 분리에서 목표로 하는 밴드 갭과 밴드 위치를 조정하는 데 사용될 수 있습니다.최근의 연구 실험들은 밴드 갭을 요구된 한계 내에 포함하는 산화그래핀의 광촉매 활성이 특히 2:1 수산화물:에폭사이드 비율로 40-50%의 커버리지를 갖는 경우에 효과적인 분할 결과를 나타냄을 보여주었습니다.산화그래핀 나노복합재는 CdS(광촉매 물 쪼개기에 사용되는 대표적인 촉매)를 사용한 복합재에 사용될 경우 수소 생성 및 양자 효율이 향상되는 것으로 나타났습니다.

수소저장장치

산화그래핀은 수소 저장 분야에서의 응용을 위해서도 연구되고 있습니다.수소 분자는 시트 전체에 걸쳐 발견되는 산소 기반 작용기 중에 저장될 수 있습니다.이러한 수소 저장 능력은 공극 크기를 변경할 뿐만 아니라 시트들 사이의 층간 거리를 조절함으로써 더욱 조작될 수 있습니다.수소 결합 에너지를 향상시키기 위한 탄소 흡수제에 대한 전이 금속 장식의 연구는 수산화기에 고정된 티타늄과 마그네슘으로 여러 수소 분자의 결합을 가능하게 하는 실험으로 이어졌습니다.

정밀의학

산화그래핀은 조직공학, 암 치료, 의료 영상 및 약물 [80]전달을 포함한 다양한 나노의학 분야에서 유망한 용도로 연구되어 왔습니다.그것의 물리화학적 특성은 근육 [81]조직의 수리와 재생을 가능하게 할 수 있는 DNA, 성장 인자, 합성 단백질의 세포 내 전달을 도울 수 있는 잠재력을 가진 줄기 세포의 행동을 조절하는 구조를 가능하게 합니다.GO는 생물학적 환경에서의 독특한 행동으로 인해 초기 암 [82]진단에서 새로운 물질로 제안되기도 했습니다.

또한 이중 사용 보조제 및 생체 의학 [83][84]재료의 운반체를 포함한 백신 및 면역 요법에 대한 사용에 대해서도 연구되어 왔습니다.2020년 9월, 중국 상하이 국립 나노 기술 연구 센터의 연구원들은 SARS-CoV-2에 [85]대해 개발 중인 재조합 백신에 산화그래핀의 사용에 대한 특허를 제출했습니다.

독성

그래핀(산화물) 나노물질의 독성에 기초하는 다양한 전형적인 메커니즘들, 예를 들어, 물리적 파괴, 산화 스트레스, DNA 손상, 염증 반응, 세포사멸, 자가포식, 괴사 등이 발견되었습니다.이러한 메커니즘에서 톨 유사 수용체(TLR), 변형 성장 인자 베타(TGF-β) 및 종양 괴사 인자 알파(TNF-α) 의존 경로는 신호 경로 네트워크에 관여하며 산화 스트레스는 이러한 경로에서 중요한 역할을 합니다.많은 실험에서 그래핀(산화물) 나노물질이 많은 생물학적 응용 분야에서 독성 부작용을 가진다는 것이 밝혀졌지만, 독성 메커니즘에 대한 더 깊은 연구가 [86]필요합니다.미국 FDA에 따르면 그래핀, 산화그래핀, 환원된 산화그래핀은 시험관내와 [87]생체내 모두에서 독성 효과를 이끌어냅니다.그래핀-가족 나노물질(GFN)은 미국 FDA의 인체 섭취 승인을 받지 않았습니다.

참고 항목

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