گرافن آمین دار چیست؟ - ایران گرافن

در این بخش به توضیحاتی در مورد گرافن آمین دار خواهیم پرداخت؛ در سال‌های گذشته، مشتق‌سازی گرافن به یکی از موضوعات محوری در زمینه مطالعات مواد نانوکربنی تبدیل شده است. تلاش های قابل توجهی برای به دست آوردن مشتقات گرافن انجام می شود که به طور کووالانسی توسط گروه های عاملی مختلف، حاوی اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن ها و عناصر دیگر اصلاح شده اند. در نتیجه، خانواده گرافن های عامل دار در سال های اخیر رشد چشمگیری داشته است.

چنین هیجانی برای عامل‌دارسازی گرافن، نتیجه فرصت‌های گسترده در ایجاد ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن است که با افزودن نوع و تعداد خاصی از بخش‌های آلی بر روی صفحه پایه گرافن یا لبه‌های آن باز می‌شود. مشتق‌سازی گرافن اجازه می‌دهد تا مقاومت الکتریکی مواد، ویژگی‌های لومینسانس، و عبور نوری را تنظیم کرده، شکاف باند را باز کرده و تغییر دهد، چیزی که برای کاربردهای الکترونیکی، نوری و الکتروشیمیایی مورد توجه است.

افزودن بخش‌های واکنش‌پذیر شیمیایی، مانند کربوکسیل‌ها، آمیدها یا آمین‌ها، واکنش گرافن، انرژی سطحی و شیمی سطح را اصلاح می‌کند و عملکرد کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن، حسگرهای گاز و حسگرهای زیستی را به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد و آخرین اما نه کم‌اهمیت، عامل‌سازی از پراکندگی موفق گرافن در حلال‌های آلی، که مسئله اصلی در پردازش مواد مبتنی بر گرافن است، پشتیبانی می‌کند.

علاوه بر شناخته شده ترین مشتقات گرافن، اکسید گرافن(GO)  و اکسید گرافن احیا شده(rGO)  و همچنین فلوروگرافن و گرافن آمینو عامل دار، مشتق دیگری است که امروزه به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. آمین های اولیه عملکردهای جذابی را نشان می دهند که پیوند آسان گرافن را از طریق جفت شدن آمید یا واکنش های به اصطلاح “کلیک” امکان پذیر می کند. چنین رویکردی امکان عامل‌سازی کووالانسی گرافن را با انواع زیادی از مولکول‌های زیستی، به‌ویژه رشته‌های DNA و آپتامرها، و همچنین با اشکال کربوکسیله نانولوله‌های کربنی یا فولرن‌ها فراهم می‌کند.

علاوه بر این، از آنجایی که ثابت شده است که آمین یک گروه الکترون‌کش است، عامل‌سازی گرافن با آمین‌ها ساختار الکترونیکی آن را اصلاح می‌کند، به‌ویژه، رسانایی را افزایش می‌دهد و مهندسی عملکرد کار قابل کنترل را ارائه می‌دهد. به عنوان یک نتیجه خالص، گرافن آمین دار به عنوان یک ماده امیدوارکننده برای کاربردهای مختلف در فتوولتائیک، سنجش گاز و حسگر زیستی، دارورسانی و تشکیل کامپوزیت در نظر گرفته می‌شود.

گرافن آمین دار به یک نانو ماده کربنی دو بعدی، که با گروه های عاملی یا اصلاح شده است، اطلاق می شود. آمین ها ترکیبات آلی هستند که حاوی یک اتم نیتروژن متصل به اتم های کربن هستند و به دلیل خواص اساسی خود شناخته شده اند. عامل دار کردن گرافن با گروه های آمین می توانند واکنش های شیمیایی را با مولکول های دیگر فعال کرده و حلالیت و پراکندگی گرافن را در حلال ها افزایش دهند.

ویژگی های گرافن آمین دار

برخی از ویژگی های گرافن آمین دار شده که می توان به آن ها اشاره کرد شامل موارد زیر می باشند:

1. پراکندگی افزایش یافته: گرافن آمینه قابلیت پخش بهتری را در حلال های آلی و آب نشان می دهد که کار و پردازش آن را آسان تر می کند.
2. واکنش پذیری شیمیایی: حضور گروه های عاملی، مکان های واکنش پذیر دیگری را روی سطح گرافن ایجاد می کند و واکنش های شیمیایی با مولکول ها یا پلیمرهای دیگر را ممکن می سازد.
3. سازگاری بهبود یافته: گرافن آمین دار سازگاری افزایش یافته با ماتریس های مختلف مانند پلیمرها یا کامپوزیت ها را نشان می دهد و ادغام آن ها با مواد و کاربردهای مختلف را تسهیل می کند.
4. پایداری خوب: گرافن آمین دار پایداری طولانی مدت و مقاومت خوبی در برابر تجمع نشان می دهد که امکان استفاده طولانی مدت بدون تخریب قابل توجه را فراهم می کند.
5. خواص تنظیم پذیر: عامل دار کردن گرافن با گروه های آمین می تواند خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی آن را اصلاح کند و تنظیم دقیق این ویژگی ها را برای کاربردهای خاص امکان پذیر می کند.
6. تطبیق پذیری عملکردی: گرافن آمین دار می تواند به راحتی دستخوش تغییرات شیمیایی بیشتر شود تا قابلیت های بیشتری را معرفی کند و دامنه کاربردهای آن را گسترش دهد.
7. زیست سازگاری: آمیناسیون زیست سازگاری گرافن را بهبود می بخشد و آن را برای کاربردهای مختلف زیست پزشکی مانند سیستم های دارورسانی، حسگرهای زیستی یا مهندسی بافت مناسب می کند.

روش های آمین دار کردن گرافن

آمین دار کردن گرافن به کمک روش های مختلفی قابل انجام است. برخی از روش های رایج مورد استفاده عبارت هستند از:

1. عامل دار شدن با گاز آمونیاک: گرافن را می توان با گاز آمونیاک از طریق فرآیند رسوب شیمیایی بخار کم فشار، عامل دار کرد.
2. عامل دار سازی کووالانسی: در این رویکرد، گرافن به صورت کووالانسی با گروه های آمینه عام دار می شود. این را می توان با واکنش اکسید گرافن با مولکول های حاوی آمین و به دنبال آن کاهش اکسید گرافن به دست آورد.
3. تصفیه پلاسمای نیتروژن: گرافن را می توان با قرار دادن در معرض پلاسمای نیتروژن آمین کرد. گونه های نیتروژن پر انرژی در پلاسما با اتم های کربن موجود در گرافن واکنش می دهند و منجر به معرفی گروه های آمینه می شوند.
4. نمک های دیازونیوم: نمک های دیازونیوم را می توان برای عامل دار کردن گرافن با گروه های آمینه استفاده کرد. گرافن ابتدا با نمک های دیازونیوم اصلاح می شود که متعاقبا احیا می شوند تا گرافن عامل دار آمینو کوالانسی تشکیل شود.
5. آمیناسیون الکتروشیمیایی: گرافن را می توان از طریق یک فرآیند الکتروشیمیایی آمین دار کرد. گرافن در یک الکترولیت حاوی گونه های آمین غوطه وری می شود و یک پتانسیل الکتریکی برای هدایت واکنش آمیناسیون اعمال می کند.

این ها تنها چند نمونه از روش های موجود برای آمین دار کردن گرافن هستند. انتخاب روش بستگی به سطح مورد نیاز عامل دار شدن گروه آمینه، کاربرد خاص و عوامل دیگر دارد.

کاربردهای گرافن آمین دار

برخی از کاربردهای گرافن آمین دار که می توان به آن ها اشاره کرد عبارت اند از:

1. دستگاه های ذخیره سازی: گرافن آمین دار می تواند به عنوان ماده الکترود در ابر خازن ها و باتری ها استفاده شود و ظرفیت و عملکرد کلی ذخیره سازی انرژی را افزایش دهد.
2. پشتیبانی کاتالیست: گرافن آمین دار می تواند به عنوان یک ماده پشتیبانی برای کاتالیزورها در واکنش های شیمیایی مختلف عمل کند و پایداری و کارایی آن ها را بهبود بخشد.
3. حسگرها: حسگرهای مبتنی بر گرافن آمین دار می توانند برای شناسایی و پایش آنالیت های مختلف مانند گازها، بیومولکول ها و آلاینده های محیطی، به دلیل مساحت سطح بالا و ویژگی های حسگری پیشرفته، استفاده شوند.
4. سیستم های دارورسانی: گرافن آمین دار می تواند با داروها یا مولکول های درمانی برای توسعه نانو حامل ها برای دارورسانی هدفمند، بهبود حلالیت دارو و فراهمی زیستی، عامل دار شود.
5. تصفیه آب: گرافن آمین دار پتانسیل حذف آلاینده ها از جمله فلزات سنگین و آلاینده های آلی را از طریق جذب یا تخریب فوتوکاتالیستی از آب دارد.
6. مهندسی بافت: گرافن آمین دار می تواند در کاربست ها یا ماتریس ها برای کاربردهای مهندسی بافت گنجانده شود و رشد سلولی، اتصال و تمایز را افزایش دهد.
7. مواد کامپوزیتی: گرافن آمین دار می تواند در کامپوزیتی های پلیمری گنجانده شود تا خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی آن ها را افزایش دهد و آن ها را برای کاربردهای مختلف صنعتی مناسب کند.

این ها تنها چند نمونه از طیف متنوع کاربردهای گرافن آمین دار هستند. خواص منحصر به فرد و گروه های عملکردی آن، آن را به ماده ای همه کاره با پتانسیل برای اکتشاف و توسعه بیشتر تبدیل می کند.

منبع:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admi.201400378

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200902069