Ученым Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского федерального университета удалось расшифровать инфракрасный спектр оксида графена.

Результаты исследования, которое проводилось в рамках проекта «Новые подходы к расшифровке строения и химических свойств оксида графена», поддержанного грантом Российского научного фонда, представлены в статье, опубликованной в журнале Carbon.

Оксид графена – это наноматериал на основе углерода, кислорода и водорода. Он представляет собой двумерные листы графена с присоединенными к атомам углерода кислородсодержащими функциональными группами – эпоксидными, гидроксильными, карбоксильными и другими.

«Оксид графена приковывает внимание исследователей, начиная с первой половины ХХ века. Именно тогда началась активная работа по изучению структуры и химических свойств этого материала, – говорит первый автор статьи, старший научный сотрудник НИЛ «Перспективные углеродные наноматериалы» Химического института КФУ Василий Брусько. – После открытия уникальных проводящих свойств графена в 2006 году началась новая золотая эра в области оксида графена. Сегодня он является одним из наиболее изучаемых материалов последнего десятилетия. Область его применения простирается от селективных мембран до электродов химических источников энергии, от наполнителя полимерных композитов до тераностики».

В водных растворах оксид графена способен расслаиваться на отдельные листы толщиной всего в один атом.

«Это дает неограниченные возможности для его модификации и внедрения в полимерные матрицы, – поясняет он. – При этом происходит структурирование полимера с приобретением последним ряда интересных свойств: реологических, проводящих, оптических и других. Также из оксида графена можно получить графен».

Как сообщил руководитель проекта «Новые подходы к расшифровке строения и химических свойств оксида графена», ведущий научный сотрудник НИЛ «Перспективные углеродные наноматериалы» Айрат Димиев сегодня остаются нерешенными многие фундаментальные вопросы, связанные с химической структурой оксида графена.  

«В частности, важнейшим вопросом является характеризация и стандартизация этого материала, – подчеркнул он. – Один из популярных способов характеризации – инфракрасная спектроскопия. Несмотря на то что первый инфракрасный спектр оксида графена был опубликован еще в 1955 году, на сегодняшний день он не до конца расшифрован. В частности, нет понимания, где находятся полосы поглощения, связанные с основными кислородными группами оксида графена, эпоксидами и третичными спиртами. Это приводит к массовой неверной интерпретации спектров. Интересно, что даже те полосы поглощения, которые были ранее однозначно и убедительно отнесены к определенным группам, сегодня массово интерпретируются неверно».

В ходе исследования химиками КФУ было синтезировано несколько десятков модифицированных образцов оксида графена и записаны их инфракрасные спектры. Образцы оксида графена были модифицированы щелочными реагентами, аминами и бромисто-водородной кислотой. Также были подготовлены частично окисленные образцы оксида графена.

«Я влюбился в этот материал еще в 2010 году, когда в первый раз синтезировал его в лаборатории профессора Джеймса Тура в Университете Райса (США), тогда же я обратил внимание на его очень интересные и труднообъяснимые с точки зрения химика свойства и на то, что литература пестрит нелогичными с точки зрения химии интерпретациями свойств оксида графена и прямыми ошибками в интерпретации экспериментальных данных», – поделился А. Димиев.

Рядом уникальных свойств, по словам ученого КФУ, обладают водные дисперсии оксида графена, реологические свойства которых зависят от его концентрации.

«Данные системы невозможно однозначно отнести ни к одному классическому типу жидких систем. Водные растворы оксида графена проявляют аномально высокие кислотные свойства и катионообменную емкость, которые невозможно объяснить с точки зрения общепризнанной структурной модели. Вдобавок с оксидом графена не протекают общеизвестные реакции, таргетирующие имеющиеся в нем функциональные группы», – проинформировал Айрат Маратович.

Ученый сообщил, что расшифрованные инфракрасные спектры были записаны доцентом кафедры неорганической химии Химического института КФУ Артуром Ханнановым, а ЯМР-спектры, полученные для независимого подтверждения изменений в структуре оксида графена, – выпускником и бывшим сотрудником Казанского университета Айдаром Рахматуллиным.

Сделанное научное открытие, уверен руководитель проекта, поможет ученым всего мира правильно интерпретировать получаемые экспериментальные результаты, а также лучше понять тонкую химическую структуру одного из самых перспективных наноматериалов современности.