Celem projektu jest scharakteryzowanie odziaływań magnetycznych w modyfikowanych dwu- (2D) i trójwymiarowych (3D) strukturach tlenku grafenu (GO). Tlenek grafenu podobnie jak grafen zbudowany jest z ułożonych heksagonalnie pierścieni węglowych o strukturze plastra miodu. W przeciwieństwie do grafenu, GO charakteryzuje obecność licznych defektów strukturalnych oraz tlenowych grup funkcyjnych, które umożliwiają modyfikację materiału w kierunku konkretnych zastosowań. Modyfikacje strukturalne GO wpływają na występujące w nim oddziaływania magnetyczne. Czas trwania tych oddziaływań jest zmienny w czasie i zanika w okresie kilku tygodni to kilku miesięcy po jego syntezie. Jest to związane z powierzchniową dyfuzją defektów paramagnetycznych oraz zmianą sprzężenia momentów magnetycznych na krawędziach warstw GO. Projekt zakłada zbadanie tlenku grafenu w formie modyfikowanych wielo-warstw i żeli oraz w obecności jonów metali przejściowych, które posiadają swój własny moment magnetyczny, modyfikujący oddziaływania magnetyczne GO. Zgodnie z hipotezą badawczą, modyfikacja strukturalna GO wpłynie na oddziaływania magnetyczne i umożliwi otrzymanie struktur stabilnych magnetycznie.


Aerożel grafenowy otrzymany z alkoholu etylowego (z lewej) oraz aerożel otrzymany ze zredukowanego tlenku grafenu poprzez liofilizację (z prawej)

Koncepcja pracy badawczej zakłada prowadzenie badań w układzie struktur dwu oraz trójwymiarowych. Obejmuje ona realizację dwóch zadań: i) opracowania dwu i trójwymiarowych struktur opartych o tlenek grafenu i ii) analizę fizyko-chemiczną otrzymanych struktur ze szczególnym uwzględnieniem właściwości magnetycznych. Tlenek grafenu zostanie syntetyzowany przy udziale zmodyfikowanej metody Hummersa. Otrzymane wielo-warstwy 2D zostaną zmodyfikowane poprzez redukcję (rGO), uwodornienie (hGO) oraz funkcjonalizację NH₃ (aGO). W oparciu o otrzymany tlenek grafenu poprzez zastosowanie procesu zol-żel zostaną wytworzone struktury hydrożelowe. W pierwszym eksperymencie żelowanie nastąpi z redukcja typowymi reduktorami chemicznymi. Natomiast w drugim, reduktorami będą chlorki metali przejściowych (Cu²⁺, Co²⁺, Ni⁴⁺, Cr³⁺, V³⁺). Ponadto, hydrożele zostaną poddane procesom suszenia i liofilizacji celem otrzymania odpowiednio ksero- i aerożeli. Otrzymane ksero- i aerożele zostaną namoczone w roztworze chlorków metali celem oceny właściwości adsorpcyjnych żeli oraz wpływu jonów metali na właściwości magnetyczne struktur żelowych. Po każdym z etapów preparatywnych, otrzymane struktury zostaną poddane dokładnej analizie fizykochemicznej. Właściwości magnetyczne zostaną zbadane metodami fali ciągj i impulsowej (T₁, T₂, T_M, ESEEM) spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) oraz podatności magnetycznej (SQUID). Materiał zostanie zbadany przy udziale technik spektroskopowych (FT-IR, XPS, Raman) i mikroskopowych (SEM, HR-TEM, AFM) dostępnych w Centrum NanoBioMedycznym UAM w Poznaniu. Przeprowadzone zostaną badania trybologiczne ksero- i aerożeli tlenku grafenu. Badania metodą spektroskopii EPR zostaną przeprowadzone w Instytucie Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu. Analiza powierzchni właściwej (BET) i analiza elementarna zostaną wykonane na Wydziale Chemii UAM w Poznaniu.


Aerożel z węgla szklistego otrzymany z sacharozy

Przeprowadzenie badań podstawowych dotyczących oddziaływań magnetycznych występujących w modyfikowanych strukturach dwu- i trójwymiarowych tlenku grafenu pozwolą poszerzyć wiedzę dotyczącą stabilności magnetycznej oraz elektronowej relaksacji spinowej badanych układów. Jest to istotne w kontekście zastosowania struktur GO w przemyśle w roli superkondensatorów oraz w systemach przechowywania energii. Ponadto, aerożele - najlżejsze trójwymiarowe struktury węglowe, mogą znaleźć potencjalne zastosowanie w oczyszczaniu wody z jonów metali ciężkich lub produktów ropopochodnych jako tzw. „gąbka grafenowa”.

Więcej szczegółów można znaleźć na stronie internetowej:
https://www.researchgate.net/project/EPR-investigation-of-GO-aero-and-xerogels-modified-by-paramagnetic-metal-ions