Under 2012-2013, ett internationellt forskningssamarbete upptäckte ett fenomen som kunde observeras via optiskt mikroskop under stadieövergångarna i grafitinterkalationsföreningar. Det tog teamledaren Dr. Ayrat M. Dimiev sex år av ytterligare forskning, inklusive ytterligare experiment vid Kazan Federal University, att fullt ut förstå drivkrafterna bakom de observerade fenomenen.

Experimenten genomfördes med deltagande av Ph.D. examen Ksenia Shukhina. Ett viktigt genombrott kom från användningen av ultrasnabb Raman-kartering av grafitytan under scenövergångar. Den gemensamma rysk-amerikanska tidningen dök upp i The Journal of Physical Chemistry C .

Grafitinterkalationsföreningar (GIC) bildas genom införande av vissa atomära och molekylära arter mellan grafenskikten av grafit. De resulterande föreningarna har en rad unika egenskaper, som inte är specifika för modermaterialet. Bland de mest spännande egenskaperna hos GIC är dess supraledning, en upptäckt som väckte stort intresse. Beroende på interkalantens elektrokemiska potential och respektive laddning på grafenskikten, grafit bildar strukturer där man, två eller flera grafenlager är inklämda mellan de två lagren av interkalant. De resulterande föreningarna kallas steg-1, steg 2, och steg-3 GIC, respektive. Trots intensiv och långvarig forskning om GIC, mekanismen för stegövergångarna förblir oklar.

I den här studien, Författare använde optisk mikroskopi och Raman-mikroskopi för att utföra direkt, realtidsövervakning av scenövergångar i H ₂ SÅ ₄ -GIC tillverkad av högorienterad pyrolytisk grafit (HOPG). De observerade att stadieövergångar i HOPG-baserade GIC sker mycket annorlunda än de i GIC gjorda av naturlig flinggrafit. Under övergången från steg 2 till steg 1, bildningen av steg 2-fasen börjar nästan samtidigt över hela grafitytan som exponeras för media.

Detta tillskrevs förflyttningen av de små intercalantdelarna mot attraktionspunkterna, därmed växande sammanhängande öar. Dock, under den omvända processen, övergången från steg 1 till steg 2 börjar strikt från kanterna på grafitprovet och fortplantar sig mot dess centrum. Den mest slående observationen var att deinterkalationsfronten var diskontinuerlig; nämligen, de utvalda mikrometerstora domänerna av grafitytan deinterkaleras företrädesvis för att frigöra den påkänning som hade inducerats av interkaleringen. Den interkalerande dynamiken i 2D-grafitgallerierna, inträffar med hastigheten> 240 m/s, har snabb kinetik. Den initiala interkaleringsprocessen skiljer sig från resten av återinterkaleringscyklerna. Skillnaden i mekanismerna för stegövergångarna i naturliga flinggrafitbaserade GICs och i HOPG-baserade GICs exemplifierar grafitstrukturens roll för interkalantdynamiken i 2D grafitgallerier.

Fynden som gjorts i denna studie främjar grafenområdet och har flera potentiella tillämpningar. GIC kan betraktas som staplar av dopad grafen, som lätt kan framställas genom helt reversibla reaktioner; dopningsnivån kan lätt kontrolleras av reaktionsbetingelserna. För det andra, interkalering försvagar vidhäftningskrafterna mellan de intilliggande grafenskikten. Således, GICs fungerar som prekursorer för att erhålla enskiktsgrafen och grafennanoplättar via vätskefasexfoliering. Tredje, GICs fungerar som viktiga och oundvikliga mellanprodukter på väg till kovalent funktionalisering av grafen på grund av kolatomernas laddade tillstånd. Slutligen och viktigast av allt, Li-ion batteridrift är baserad på cyklisk interkalering-deinterkalering av litiumjoner med grafit. Att förstå stegövergångsmekanismen kommer att hjälpa till att utveckla alla dessa applikationer.

Teamledaren Ayrat Dimiev avslutar, "De studerade scenövergångarna i H ₂ SÅ ₄ -GIC åtföljs av överföring av protoner till och från den interkalerade svavelsyran som uppstår av Grotthuss-mekanismen, d.v.s. den är ultrasnabb och "friktionsfri." Vi funderar på att kontrollera om det är sant. Om ja, dessa system kan användas som protonledare i vätebränslecellerna. En annan riktning är att utveckla en effektiv och hög genomströmningsprocedur för vätskefasexfoliering av grafit till enskiktsgrafen."