سنتز و خواص گرافن کاربردی با پلیمر

دسته: مقالات منتشر شده در 27 خرداد 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 57

مروری بر سنتز و خواص گرافن کاربردی با پلیمر

این بررسی درمورد شیمی کاربردی گرافن با پلیمر از دو رویکرد کووالانسی و غیرکووالانسی بحث می کند. با توجه به فعل و انفعالات منسجم قوی، پلاکت های گرافن تجمع یافته و باعث میشوند تا خواص مطلوب خود را بدست آورند. همچنین عملکرد کووالانسی در هر دو رویکرد از تکنیک های "پیوند به" و "پیوند از" درمورد مزایا و معایب فرایندها مشخص میشود. تکنیک های پلیمریزاسیون کنترل شدۀ رادیکال آزاد همچون ATRP، SETeLRP و RAFT که برای این منظور استفاده میشوند نیز همراه با پلیمریزاسیون رادیکال آزاد معمولی مورد بحث قرار گرفته اند. در اینجا، همچنین رویکردهای مختلفی را که در کاربردی سازی غیرکووالانسی استفاده میشود ذکر کرده ایم؛ برای مثال پیوند H و بر هم کنش های آبگریز. این گرافن های عملکردی نشان دهندۀ پراکندگی خوب و پایداری هستند که تشکیل کامپوزیت را با پلاستیک های معمولی تسهیل کرده و باعث افزایش خواص مکانیکی، حرارتی و هدایت آن میشود. خواص آپتوالکترونیکی این گرافن کاربردی در ساخت حسگرها، فتوولتائیک ها، ابرخازن و غیره مهم است. گزارش مختصری از خواص این گرافن های اصلاح شده نیز با تأکید بر حوزه های مختلفی ارائه شده است که انتظار میرود در تحولات آینده تحقق یابند.

 

گرافن به عنوان یک صفحه مولکولی گرافیت در زمینه های مختلف علوم مواد دارای کاربردهای بالقوه ای برای تولید نانو کامپوزیت ها، حسگرها، ابر خازن ها، ذخیره هیدروژن و دستگاه های الکترونیکی است. عملکرد گرافن در کاربردهای رو به رشد بر یک یا چند خواص اساسی من جمله خواص عالی حرارتی، مکانیکی، الکتریکی، انتقال، مانع گاز و ترموالکتریک مبتنی هستند. همچنین به دلیل داشتن این خواص جالب بیشتر مورد توجه تحقیقات است و به همین منظور، گنجاندن ورق های گرافن در یک ماتریس پلیمری با پراکندگی همگن و یک کنترل رابط نهایی بسیار ضروری است. در گرافیت، لایه های گرافن دارای نیروی انسجام زیادی هستند؛ از این رو، به دست آوردن ورقه های گرافن لایه بردار بسیار دشوار است. کاهش نیروی منسجم بین ورق های گرافن و همچنین ایجاد ابعاد تعامل خاص با عملکرد ماتریس پلیمری گرافن میزبان بسیار ضروری است. گرافیت در اثر اکسیداسیون اکسید گرافیت GO با گروه های عملکردی آبدوست تولید می کند که باعث در هم آمیختگی مولکول های آب در گالری میشود و همچنین ورق های گرافن را نیز میتوان به راحتی با فراصوت از یکدیگر جدا کرد؛ بنابراین ورق های GO بسیار پراکنده را در محیط آبی تولید می کند. این ورق های لایه بردار معمولآ کاربردهای مختلفی بویژه در برنامه هدفمند دارند. GO یک عایق الکتریکی است اما زمانی رسانا میشود که تولید اکسید گرافن کاهشی (GOr) توسط بوروهیدرید سدیم و یا هیدرات هیدرازین را کاهش دهد. با این حال، ورق های GO در محلول آلی و ورق های GOr در محیط آبی و محلول آلی به دلیل بر هم کنش های منسجم زیاد باعث تجمع میشوند که به گونه ای متفاوت پراکنده میشوند. این عدم پراکندگی همگن استفاده از آن در بسیاری از برنامه های تجاری بالقوه به دلیل تعامل سطحی شکننده بین GO یا GOr و ماتریس پلیمر میزبان از این حلال ها را محدود می کند. همچنین، تعدادی از روش های صعودی همچون رسوب بخار شیمیایی CVD، تبدیل شیمیایی، تخلیۀ قوس، رشد اپیتکسیال، باز کردن نانو لوله های کربن و خود مونتاژ سورفکتانت ها برای تولید ورق های گرافن با میزان نقص کمتر از آن وجود دارد. این روش ها بیشتر از روش های برشکاری مکانیکی برای مطالعات بنیادی و کاربردهای الکترونیکی ورق های گرافن قابل توجه هستند؛ اما برای تولید نانوکامپوزیت های گرافن/ نانوکامپوزیت های پلیمر مناسب نیستند زیرا به ورق های گرافن زیادی ترجیحآ با ورق اصلاح شدۀ سطحی برای ایجاد تعامل سطحی قوی در انتقال بار مکانیکی اثربخش نیاز است.

 

برای دستیابی به خواص فیزیکی و مکانیکی بهینه در نانوکامپوزیت های پلیمری گرافن بایستی حلالیت ورق های گرافن در یک حلال مشترک با ماتریس پلیمر به حداکثر برسد و انتقال تنش نیز بایستی ازطریق رابط به دلیل فعل و انفعالات خاص بین ورق و ماتریس پلیمری، علاوه بر حلالیت افزایش یافتۀ این ورق ها، به کشف خواص فاز محلول گرافن نیز کمک کند. بنابراین، عملکردی شدن ورق های گرافن با گروه عملکردی مناسب جهت ساخت نانوکامپوزیت با کارایی بالا و همچنین استفاده از خواص فیزیکی-شیمیایی آن برای ساخت انواع حسگرها بسیار ضروری است. شیمی عملکردی شدن ورق های گرافن شامل دو عملکرد کووالانسی و غیرکووالانسی میشوند که براساس خواص آبگریزی-آبدوستی آن میتوان ورق های اصلاح شدۀ گرافن را در حلال های خاص پراکنده کرد. درصورت عملکرد غیر کووالانسی ورق گرافن، انتظار می رود که اثر انتقال بار کاهش یابد زیرا نیروی مابین مولکول های بسته بندی و سطح گرافن ضعیف بوده و عملکرد کووالانسی قطعآ بهتر از این است. با این حال، بدتر شدن خواص مربوط به انتقال الکترون یا فونون به دلیل کربن sp2 به کربنsp3  یک نقص عملکردی شایع در سطح گرافن محسوب میشود. در اصلاح کووالانسی، پیشرفت چشمگیری در اتصال مولکول های آلی کوچک به سطح گرافن ایجاد شده است. GO با استفاده از شیمی غنی از گروه های هیدروکسیل، کربوکسیل و اپوکسی اغلب بعنوان ماده اولیه برای اتصال کووالانسی گروه های آلی در سطح آن انتخاب میشود و پورفیرین ها، فتالوسیانین ها و آزوبنزن بصورت کووالانس در سطح گرافن متصل شده اند که خواص آپتوالکترونیک بسیار جالبی را نشان میدهد. به دلیل وجود ضرایب انقراض زیاد نور مرئی، از پورفیرین ها و فتالوسیانین ها بعنوان شاخک برای دریافت انرژی از فوتون ها استفاده میشود. همچنین پورفیرین ها همراه با GO ازطریق تشکیل پیوند آمید بین گروه های عملکردی پورفیرین و کربوکسیلیک آمین GO متصل میشوند وخواص نوری غیرخطی بهتری را برای پروفیرین یا GO کاربردی C60 درمقایسه با اجزای منفرد نشان میدهند. نانو ورقه های گرافن ارگانوفیل از طریق واکنش GO به اکتادسیل آمین ODA و به دنبال آن کاهش هیدروکینون با استفاده از فرایند بازسازی تهیه میشوند.

اسپکتروسکوپی FTIR و UV-Vis اتصال کووالانسی و پراش اشعۀ ایکس را تصدیق می کند؛ اسپکتروسکوپی رامان و تحلیل TEM نیز ساختار کریستال دست نخورده در نانو ورقه های گرافن را در این اتصال نشان می دهند. عملکرد همزمان و کاهش GO با استفاده از بازسازی سادۀ GO و اکتادسیل آمین بدون استفاده از عوامل کاهنده تحقق یافته است. زنجیرۀ طولانی اکتادسیل GO آبدوست را به مادۀ آبگریز تبدیل می کند و به دلیل کاهش، به رسانای الکتریکی تبدیل میشود. ترکیبات پلی استایرن (PS) و پلی متیل متاکریلات (PMMA) پر شده با ODA-GO برای بدست آوردن کامپوزیت های رسانا با آستانۀ تراکم الکتریکی پایین تر مطابق با مفهوم تراکم دو برابر ساخته شده اند. اشکال مهمی که اغلب در عملکرد کوچک مولکولی مشاهده میشود این است که با مشکلات پایداری و پراکندگی روبرو است. همچنین باتوجه به تعداد کمتری از گروه های عملکردی موجود در این سیستم در مقایسه با گرافن عملکردی شدۀ پلیمر، انتظار می رود که انتقال تنش به دلیل اثر متقابل ضعیف تر بر روی سطح کمتر باشد. بنابراین برای پراکندگی پایدار و همگن ورق های گرافن در ماتریس پلیمر، به عملکرد پلیمر نیاز است که نه تنها به دلیل اندازه اش تعامل منسجم را کاهش می دهد؛ بلکه به دلیل وجود گروه های عملکردی موجود در زنجیرۀ پلیمر، تعاملات سطحی بین ماتریس و فیلر را افزایش می دهد. تعامل خاص بین گرافن عملکردی پلیمر و پلیمر میزبان باعث ایجاد یک رابط فشرده میشود که انتقال تنش را تسهیل می کند. ورق های گرافن محلول و قابل پردازش را میتوان ازطریق پیوند پلیمرهای مصنوعی و همچنین ازطریق استخراج از پلیمرهای پیوند یافته به دست می آید تا مجموعه گسترده ای از گروه های عملکردی را برای برقراری تعامل خاص تر با ماتریس پلیمر میزبان ایجاد کند. با این حال، عملکردی شدن سطح گرافن با استفاده از این پلیمرهای عملکردی خوب، امکان ساخت مواد کامپوزیتی با عملکرد بالا را را فراهم کرده و انجام تحقیقات در زمینه گرافن عملکردی پلیمر را بیشتر مورد توجه قرار می دهد. GO یک شبکۀ دو بعدی از کربن پیوند یافتۀ sp2 و sp3 در تضاد با گرافن حاوی 100 درصد کربن ترکیبی sp2 است. GO به دلیل وجود شکاف کاملآ نواری خواص فتولومینسانس (PL) را در نقطۀ قابل مشاهده و نزدیک به مادون قرمز نشان میدهد. ما در این بررسی پیشرفت های اخیر درمورد استراتژی های مصنوعی و خواص برخی از گرافن های عملکردی پلیمر و کامپوزیت های آنها را بیان می کنیم. بطور کلی، محور بحث برخی از نمونه های اخیر در کاربردی سازی کووالانسی سطح گرافن با پلیمرها با استفاده از هر دو روش "پیوند به" و "پیوند از" است. گزارش جامعی از عملکرد گرافن و GO با پلیمرها با استفاده از هر دو روش کووالانسی و غیرکووالانسی در اینجا تفسیر شده است. بنابراین، این مطالعه بر عملکرد پلیمری  گرافن با استفاده از تکنیک های مختلف همراه با بحث مختصری درمورد خواص فیزیکی گرافن اصلاح شده متمرکز است.

 

شیمی عملکردی گرافن با پلیمر چشم انداز گسترده ای دارد و برای تهیۀ نانوکامپوزیت های پلیمری گرافن قابل پردازش محلول بسیار مورد توجه است. فرایند کاربردی سازی با پلیمرهای کاملآ مشخص همراه با کنترل دقیق وزن مولکولی قابلیت های مختلفی را بر روی سطح گرافن فراهم می کند که برای تولید مواد سفارشی بر پایۀ دانش دقیق از روابط پیچیدۀ خواص ساختاری شان برای تأمین مواد آپتو الکترونیک، انرژی و مهندسی مفید خواهد بود. تکنیک "پیوند از" از تکنیک "پیوند به" برتر است زیرا تراکم استریک میتواند محدودیت بالایی را برای تراکم پیوند اعمال کند؛ در حالیکه عملکرد کووالانسی یک پیوند قوی و برگشت ناپذیر بین پلیمر وگرافن را تضمین می کند اما رویکرد غیرکووالانسی از ایجاد نواقص sp3 در سطح گرافن جلوگیری می کند. این گرافن های عملکردی غیرکووالانسی با پلیمر تعریف شده میتوانند خواص فیزیکی، مکانیکی و الکترونیکی پلیمرهای گرافن و همچنین کامپوزیت های آنها را بخوبی کنترل کنند. کاربردی سازی گرافن با پلیمر در مرحلۀ هسته سازی اش است و دامنۀ وسیعی برای توسعۀ استراتژی های جدید و بهبود یافته نیز وجود دارد. کو پلیمرهای بلوک از سطح گرافن با استفاده از PRTA اولیۀ سطحی دارای دامنۀ وسیعی برای تهیه مواد آپتو الکترونیکی در کاربردهای خاص است. خود مونتاژی بین دو کامپوزیت پلیمری گرافن که بطور متضاد شارژ میشوند، ساختارهای لایه ای را ایجاد می کند که میتواند کاربردهای عالی فناوری را معرفی کند. اتصال گرافن به پلیمرهای الکتروشیمیایی ممکن است در ساخت دستگاه های فتوولتائیک نیز کاربرد داشته باشد. با در نظر گرفتن هزینۀ تولید و کاربرد گسترده، گرافن نوید بیشتری را نسبت به CNT ها میدهد. بنابراین، مهمترین تحقیقات در این زمینه در آینده ممکن است علاوه بر تشکیل نانوکامپوزیت های پلیمری با کارایی بالا، به سمت تولید مواد آپتو الکترونیکی، تجهیزات زیست پزشکی، حسگرها، کاربردهای فتوولتائیک، تراشه های نیمه هادی پیش روند. بطور کلی، تنوع ساختار پلیمر بر روی سطح گرافن در ارتقا گرافن از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به یک مؤلفۀ اساسی در بسیاری از کاربردهای فناوری بسیار مؤثر است.