Графен - слой углерода толщиной в один атом - считается самым тонким и прочным из измеренных материалов, а ещё он отлично проводит электричество и тепло. Неудивительно, что его пытаются приспособить для солнечных батарей, аккумуляторов, водяных фильтров и датчиков. Но чтобы такие идеи дошли до практики, нужно понимать, как изменения в структуре графена влияют на его поведение.

Этим вопросом занялась аспирантка Сакши из Университета Саскачевана (Канада), работающая с доктором Александром Мёвесом. Она объединила эксперименты в Канадском источнике света (Canadian Light Source, CLS) с компьютерным моделированием, чтобы изучить оксид графена - разновидность графена, на поверхности которого есть кислородсодержащие группы. Результаты опубликованы в журнале npj 2D Materials and Applications.

Оксид графена - важное сырьё для крупномасштабного производства графеновых материалов. Однако кислородсодержащие фрагменты могут прикрепляться к разным местам углеродной решётки, и то, где они окажутся, зависит от способа изготовления и меняет свойства материала. Иными словами, важно не только сколько кислорода, но и где он находится.

Сакши отмечает: теоретических моделей структуры оксида графена много, а экспериментальных работ, которые показали бы, где на самом деле расположены атомы, мало. "Если у него столько захватывающих потенциальных применений, почему никто не изучает саму структуру, когда знание структуры на атомном уровне - где находятся атомы - подскажет, как атомы будут себя вести при перемещении из одного положения в другое?" - говорит исследовательница.

Действительно, материалу для хранения энергии могут требоваться не те же свойства, что фильтру для воды.

С помощью мощного рентгеновского излучения в CLS Сакши изучила образец размером примерно с песчинку. Затем она использовала компьютерные модели, чтобы увидеть, как разные варианты расположения кислорода отразятся на рентгеновском "отпечатке" материала. Сопоставив модели с реальными результатами, команда определила, как кислород расположен в образце.

Выяснилось, что расположение кислорода имеет значение. Два типа кислородсодержащих групп - гидроксилы и эпоксиды - действуют по-разному: гидроксилы меняют поведение электрического заряда, а эпоксиды ослабляют некоторые связи между атомами углерода.

Кроме того, эти группы предпочитают прикрепляться только к одной стороне материала. В итоге около 60% углеродной структуры графена остаётся нетронутой, что помогает сохранить многие свойства, ради которых графен и ценят.

Сейчас Сакши изучает, как разные способы получения оксида графена влияют на его структуру и свойства. Если лучше понять, как производственный процесс определяет, куда попадёт кислород, исследователи смогут точнее управлять свойствами материала и создавать графеновые материалы под конкретные задачи - от накопления энергии до сенсоров и очистки воды.

Источник: Phys.org