Российские ученые выяснили, почему при высоких температурах оксид графена не сгорает, а становится основой для перспективной и недорогой технологии получения графена. Расчеты, проведенные с помощью суперкомпьютера, пролили свет на поведение оксида графена при экстремальных температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале Carbon.
До сих пор у ученых нет эффективной и недорогой методики получения качественного графена большой площади, которую можно было бы использовать в промышленных масштабах. Одна из перспективных идей в этом направлении — применение лазерного излучения для восстановления графена из оксида графена. Сам оксид графена при этом получается из обычного графита. Эта технология привлекает своей дешевизной и возможностью контролируемо варьировать качество получаемого материала.
Несколько лет назад ученые из Сколтеха обнаружили, что графен достаточно высокого качества можно получить в ходе импульсного лазерного нагрева оксида до 3025–3525 °C (3300–3800 К) даже в обычной воздушной атмосфере. Это стало неожиданностью, так как углеродные материалы горят в присутствии атмосферного кислорода уже начиная с 325–525 °C (600–800 К). Однако в эксперименте при существенно больших температурах графен, напротив, приобретал хорошие структурные свойства. Чтобы разобраться в природе этого эффекта, ученые из Сколтеха и МФТИ воспользовались методами суперкомпьютерного атомистического моделирования и исследовали процесс восстановления оксида графена при высоких температурах. Атомистическое моделирование позволяет численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в небольшом объеме вещества. Из-за ресурсоемкости этот метод требует высокопроизводительных машин, таких как суперкомпьютеры.
Ученые обнаружили, что при высоких температурах (>2725 °C или 3000 К) атомы кислорода из газового окружения действительно активно взаимодействуют с графеном, окисляя и разрушая его. Однако при этих же температурах начинается быстрый отжиг кристаллической решетки — устранение дефектов путем аккуратного нагрева и последующего охлаждения материала. За счет отжига решетка, наоборот, упорядочивает свою структуру.
«Получается, что при воздействии лазерных импульсов в масштабах одного материала сосуществуют два противоположных процесса. Но они разнесены пространственно: горение — разрушение — происходит на дефектах и границах графеновых листов — там, где атомы углерода наиболее химически активны. Отжиг же наблюдается преимущественно в центральных областях, в которых атомам выгодно вернуться в устойчивую конфигурацию», — объясняет соавтор исследования Станислав Евлашин.
Полученные результаты проливают свет на поведение оксида графена при экстремальных температурах — в области, где проведение экспериментального анализа практически невозможно. Понимание этих процессов может помочь в дальнейшем развитии и оптимизации методов получения высококачественного графена с большой площадью монокристаллов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
