Корейските химици са измислили метод за производство на висококачествени графенови квантови точки, който не изисква изрязването им от голям лист графен.

Вместо това учените отглеждат кристали от воден разтвор на глюкоза, оцетна киселина и хексадециамин. Чистотата на излъчване на получените точки беше толкова висока, че учените за първи път експериментално потвърдиха решаващата роля на крайните състояния в излъчването на точка. Статия, публикувана в технологичното издание Nano Letters.

Откакто Константин Новоселов и Андрей Игра получиха първите графенови листове през 2004 г. , учените се опитаха да увеличат максимално размера на листовете. До 2010 г. размерът на листа е доведен до един метър. Въпреки това, през същата година, група китайски изследователи, водени от Минхонг Ву, обърнаха тази тенденция и „нарязаха“ графенов лист до няколкостотин квадратни нанометра, като по този начин ограничиха електроните си и го превърнаха в квантова точка. Изведнъж се оказа, че такава квантова точка има редица полезни свойства. Първо, благодарение на квантовите ефекти, точката свети с наситена синя светлина. Второ, за разлика от квантовите точки, базирани на полупроводници или перовскити, графеновите точки са химически инертни и амфофилни , което позволява използването им в биосъвместими устройства. Следователно през последните десет години са публикувани повече от хиляда статии, посветени на графенови квантови точки (съдейки по цитатите на член U).

За съжаление, съществуващите методи за получаване на графен са слабо подходящи за производството на графенови квантови точки. От една страна, точките могат да бъдат изрязани от големи листове графен, обелени от графитен кристал. От друга страна, като основа могат да се използват листове, получени чрез химическо отлагане на пари . В първия случай обаче е трудно да се контролира равномерността на точката, а във втория – нейния размер. Това усложнява не само прилагането на точки в практиката, но и тяхното теоретично изследване. За да се подобри качеството на графеновите квантови точки, е необходимо да се разработи нова, уникална технология на производство.

Екип химици, ръководени от O Ok Park, най-накрая разработиха такава технология. За да направите това, учените използваха химична реакция, наподобяваща дехидролизата на продукта Amadori, Просто казано, изследователите смесиха хексадециамин и оцетна киселина с воден разтвор на глюкоза, принудиха молекулите на глюкозата да се възстановят и прикрепят нови въглеродни пръстени, прерастващи в малки кристали на графен. Чрез регулиране на температурата на разтвора по време на синтеза, учените контролираха скоростта на химичните реакции и крайния размер на графеновите люспи. Авторите на статията отбелязват, че дори за достатъчно големи люспи е необходима температура около 60 градуса по Целзий. Тогава учените рязко охлаждат разтвора до -25 градуса по Целзий, причинявайки остатъците от аминовите продукти да изпаднат от разтвора и преминават през филтърна хартия. Накрая, химиците депозират разтворени кристали на графена върху субстрата и измерват техните свойства. На всички етапи на производство учените контролираха състава на разтвора с помощта на протонна магнитно-резонансна спектроскопия (ЯМР спектроскопия върху водородни ядра).

Схема за синтез на графен квантова точка

Схема за синтез на графен квантова точка

Когато синтезът приключи, учените измериха параметрите на получените графенови люспи. Оказва се, че дебелината на люспите не надвишава три атома и техният характерен напречен размер е ограничен от доста тесни рамки около средната стойност, която се определя от температурата на първоначалния разтвор. Регулирайки тази температура, изследователите получиха люспи със страна от пет до сто нанометра. В допълнение, изследователите потвърдиха, че получените люспи от графен наистина са единични кристали. За това учените използвали инфрачервена и рентгенова снимкаспектроскопия – люспи бяха видими, записан е дифракционен модел, химическият състав и разстоянието между атомите от различни видове са изчислени от него и след това е възстановена кристалната решетка на люспите. Както се очаква, люспите съдържат много малко примеси (не повече от 13 процента), а атомите на други елементи са разположени в краищата на структурата, без да нарушават нейната кристална решетка.

И накрая, учените потвърдиха, че синтезираните люспи излъчват светлина по същия начин като графеновите квантови точки от други експерименти. За удобство изследователите поставиха графеновия слой в „сандвич“ от алуминий, цинков оксид и индиев калаен оксид . Както се очаква, емисионният спектър лежи в тесен диапазон между 400 и 500 нанометра, като пикът му е 440 нанометра ( синя светлина ). Освен това, поради чистотата на излъчването на получените квантови точки, учените за първи път експериментално доказват, че тяхното фотолюминесцентно излъчване се определя главно от крайни състояния.
Тъй като графенът е сравнително млад, но обещаващ материал, учените продължават да измислят нови методи за неговото приготвяне. Например през януари миналата година китайските химици разработиха метод за производство на графенов оксид, който е безопасен за околната среда. През ноември същата година изследователи от Швейцария и Корея опростиха производството на перфориран графен. И през юни тази година, учени от Индия и Австралия намалиха производството на графен стотици пъти , използвайки екстракт от кора на евкалипт като редуциращ агент в реакцията, за да получат материала.
Можете да прочетете за различните приложения на графена, които стимулират изследванията му в интервю с откривателя му Константин Новоселов. В допълнение можете да тествате знанията си за най-тънкия материал в света, като използвате теста „Графен или Графа“