Grafenbaserade tvådimensionella material har nyligen dykt upp som ett fokus för vetenskaplig utforskning på grund av deras exceptionella strukturella, mekaniska, elektriska, optiska och termiska egenskaper. Bland dem är nanoark baserade på grafenoxid (GO), ett oxiderat derivat av grafen, med ultratunna och extra breda dimensioner och syrerika ytor ganska lovande.

Funktionella grupper som innehåller syre, såsom karboxi och sura hydroxigrupper, genererar täta negativa laddningar, vilket gör GO nanosheets kolloidalt stabila i vatten. Som ett resultat är de värdefulla byggstenar för nästa generations funktionella mjuka material.

I synnerhet har termoresponsiva GO nanosheets fått mycket uppmärksamhet för sina breda tillämpningar, från smarta membran och ytor och återvinningsbara system till hydrogelmanöverdon och biomedicinska plattformar. Men de rådande syntetiska strategierna för att generera termoresponsiva beteenden innebär modifiering av GO nanosheetytor med termoresponsiva polymerer som poly (N -isopropylakrylamid). Denna process är komplex och har potentiella begränsningar i efterföljande funktionaliseringsinsatser.

För att möta denna utmaning har forskare under ledning av assisterande professor Koki Sano och Mr. Shoma Kondo från Institutionen för kemi och material vid Shinshu University i Japan nyligen presenterat ett innovativt tillvägagångssätt som kallas "countercation engineering" för att ge den önskade termoresponsiva förmågan att GO nanosheets själva . Deras arbete publicerades i ACS Applied Materials &Interfaces .

Dr Sano förklarar, "Denna studie introducerar en förenklad och effektiv väg för att uppnå värmekänslighet genom att utnyttja motkatationer (positivt laddade joner) som finns i GO nanoark. Kontrollen över dessa motkatationer erbjuder ett kraftfullt verktyg för att konstruera stimuli-känsliga nanomaterial."

I sin studie etablerade forskarna ett robust syntetiskt protokoll som involverar en tvåstegsreaktion i vatten för att syntetisera GO-nanoark med specifika motkatationer. En utbytesreaktion ersatte först motkatationerna av karboxi- och sura hydroxigrupper med protoner. Detta följdes av en syra-bas-reaktion med användning av en hydroxidanjon med målmotanjonerna, vilket resulterade i de önskvärda GO-nanoark.

Systematiska undersökningar av deras termoresponsiva beteende avslöjade att GO nanosheets innehåller tetrabutylammonium (Bu₄ N ⁺ ) motkatjoner uppvisade en inneboende termokänslig natur i vattenhaltiga miljöer utan att kräva några termokänsliga polymerer.

Dessutom visade forskarna en reversibel sol-gel-övergång märkt av självmonterings- och demonteringsprocesser. Vid uppvärmning, lamell Bu₄ N ⁺ -baserade GO nanosheets med elektrostatisk repulsion (soltillstånd) mellan dem återmonterade för att bilda ett sammankopplat nätverk som domineras av van der Waals attraktion (geltillstånd) istället.

Denna anmärkningsvärda övergång kan faktiskt utnyttjas för att utveckla ett direktskrivbläck för att konstruera tredimensionellt designbara gelarkitekturer för GO nanosheets, påpekade forskarna.

Sammantaget har studiens resultat djupgående implikationer. "Den kontrollerade syntesen av GO nanosheets med skräddarsydda motkationer har avslöjat en väg till mångsidiga och förenklade termoresponsiva material. De termoresponsiva GO nanosheets är lovande byggstenar för biomedicinska, energi- och miljötillämpningar, såsom smarta membran, mjuk robotik och återvinningsbara system, hydrogelmanöverdon och biomedicinska lösningar", säger Dr. Sano.

"Dessutom erbjuder möjligheten att skriva direkt med GO nanosheets dispersioner en ny dimension till materialdesign, vilket möjliggör konstruktion av intrikata gelstrukturer med lätthet", avslutar han.

Mer information: Koki Sano et al, Countercation Engineering of Graphene-Oxide Nanosheets för att ge en termoresponsiv förmåga, ACS-tillämpade material och gränssnitt (2023). DOI:10.1021/acsami.3c07820

Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt

Tillhandahålls av Shinshu University