Ossido di grafene
L’ossido di grafene (GO) è la forma ossidata del grafene che presenta caratteristiche eccellenti come ampia superficie, elevata stabilità, buone proprietà elettriche, termiche, meccaniche e strutturali ed inoltre tali proprietà possono essere modificate in quanto l’ossido di grafene può essere facilmente funzionalizzato.
L’ossido di grafene presenta una struttura di carbonio stratificata con gruppi funzionali contenenti ossigeno come il gruppo carbonilico, il gruppo carbossilico, il gruppo ossidrilico, il gruppo epossidico e il gruppo tipico degli eteri legati su entrambi i lati dello strato e sui bordi del piano.
A causa della presenza di varie funzionalità dell’ossigeno sulla superficie può essere utilizzato come materiale di partenza per la sintesi di derivati del grafene come fluorografene, bromografene e grafano. Come qualsiasi materiale in carbonio 2D, anche l’ossido di grafene può avere una struttura a strato singolo o multistrato.
Tuttavia, sebbene sia il grafene che l’ossido di grafene siano materiali in 2D, le loro proprietà molto diverse. L’ossido di grafene, infatti, non assorbe la luce visibile, ha una conduttanza elettrica molto bassa rispetto a quella del grafene e dimostra un’attività chimica significativamente più elevata. Inoltre a differenza del grafene, è idrofilo ed è quindi relativamente semplice preparare sospensioni a base di acqua o solventi organici e le forme altamente ossidate di ossido di grafene sono isolanti elettrici con un band gap di circa 2.2 eV.
Proprietà dell’ossido di grafene
Le particelle ossido di grafene sono altamente idrofile e formano dispersioni acquose stabili in un’ampia gamma di concentrazioni e in numerosi solventi organici come glicole etilenico, dimetilformammide, n-metil-2-pirrolidone, tetraidrofurano a causa del legame a idrogeno tra i gruppi idrossilici presenti sulla superficie e l’interfaccia del solvente.
A causa della presenza di gruppi contenenti ossigeno sulla superficie, l’impilamento π–π è significativamente ridotto, il che riduce anche la conduttività e introduce difetti reticolari. Le transizioni elettroniche nell’ossido di grafene avvengono nella gamma dall’ultravioletto al visibile. I due assorbimenti caratteristici si verificano a circa 230 nm dovuto alle transizioni π→π* nei legami aromatici C=C e a circa 300 nm, dovuto alle transizioni n→π* nei legami C=O.
Ha eccellenti proprietà di fotoluminescenza, che lo rendono eccellente per il biorilevamento e la fotoelettronica. Mostra proprietà antibatteriche e il drogaggio con argento e altri materiali ne potenzia gli effetti. I nanofogli di ossido di grafene sono materiali interessanti per l’immobilizzazione degli enzimi grazie alla loro ampia area superficiale specifica e alla presenza di gruppi funzionali.
Le proprietà del materiale dipendono fortemente dal metodo di sintesi, che influenza il numero e il tipo di gruppi contenenti ossigeno
Sintesi dell’ossido di grafene
Sebbene il grafene sia stato isolato e caratterizzato solo nel 2004 da Andre Geim e Konstantin Novoselov presso l’Università di Manchester che vinsero il Premio Nobel per la fisica nel 2010 per “per esperimenti innovativi riguardanti il materiale bidimensionale del grafene”, la preparazione dell’ossido di grafene, che peraltro all’epoca non destò grande interesse, risale al 1859.
La sintesi avvenne facendo reagire per 3–4 giorni la grafite con clorato di potassio in presenza di acido nitrico concentrato alla temperatura di 60°C. Da allora sono stati sviluppati vari metodi sintetici per ridurre il tempo di reazione, aumentare la resa e ridurre al minimo il rilascio di sottoprodotti tossici quali gli ossidi dell’azoto NO2 e N2O4.
Attualmente il metodo più utilizzato è quello di Hummers-Offeman in cui si utilizza una miscela concentrata acido solforico, nitrato di sodio e permanganato di potassio. Questo metodo fornisce una buona resa e richiede meno tempo rispetto ai metodi precedenti. Il prodotto finale è una sospensione acquosa di particelle di ossido di grafene di colore giallo.
Può essere sintetizzato anche mediante l’ossidazione della grafite in ossido di grafite seguita dall’esfoliazione. Tuttavia nuove metodologie hanno dimostrato che la stessa struttura potrebbe anche essere ottenuta utilizzando un metodo alternativo (bottom-up) mediante il trattamento idrotermale del glucosio o anche mediante la tecnica della deposizione chimica in fase vapore (CVD)
Usi
L’ossido di grafene ha applicazioni in ambito ambientale infatti, grazie alla presenza delle varie funzionalità dell’ossigeno sulla superficie e sui bordi ha interazioni covalenti o non covalenti con varie molecole e può essere impiegato nella catalisi per la conversione dei gas inquinanti durante le lavorazioni industriali. Inoltre può essere utilizzato per l’adsorbimento e la conversione di sostanze inquinanti presenti nelle acque che minacciano gli esseri umani, la vita acquatica, gli animali e le piante.
Grazie alla sua elevata stabilità colloidale, buona biocompatibilità e proprietà antibatteriche, l’ossido di grafene ha varie applicazioni biomediche nel rilascio di farmaci e geni, fototerapia, bioimaging, biosensing e ingegneria tissutale.
È usato come vettore di farmaci e geni grazie alla sua stabilità colloidale, tossicità relativamente bassa, ampia area superficiale ed elevata stabilità al carico. Il bioimaging utilizza generalmente l’emissione di fluorescenza naturale dell’ossido di grafene e grazie alla sua proprietà di incoraggiare la proliferazione e la differenziazione delle cellule staminali è usato nell’ingegneria tissutale.
Il grafene e l’ossido di grafene sono materiali molto promettenti per il rinforzo e il miglioramento generale delle proprietà meccaniche dei materiali ad alta temperatura come metalli e ceramiche. L’aggiunta di ossido di grafene a materiali simili al cemento migliora le proprietà meccaniche di tali materiali da costruzione aumentando la resistenza alla flessione e la resistenza alla compressione.
