Rijstwetenschappers hebben een manier gevonden om grafeenoxide in bulk op een milieuvriendelijke manier te synthetiseren, het elimineren van giftige en explosieve chemicaliën uit het proces. Ze hebben ook ontdekt dat een klasse van gewone bacteriën grafeenoxide afbreekt tot milieuvriendelijk grafeen.

"We kunnen je maken en we kunnen je breken." Als wetenschappers van Rice University countryliedjes schreven, hun ode aan grafeenoxide zou zoiets beginnen. Maar dit lied zou niemands hart breken.

Een nieuw artikel uit het laboratorium van rijstchemicus James Tour demonstreert een milieuvriendelijke manier om grote hoeveelheden grafeenoxide (GO) te maken, een isolerende versie van grafeen met een dikte van één atoom die naar verwachting zal worden gebruikt in allerlei soorten materialen en elektronische toepassingen.

Een tweede artikel van Tour en Andreas Lüttge, een Rice hoogleraar Aardwetenschappen en scheikunde, laat zien hoe GO wordt afgebroken door gewone bacteriën die alleen onschadelijke, natuurlijk grafiet.

De een-tweetje verschijnt deze week online in het journaal

"Dit zijn de pijlers die de productie van grafeenoxide praktisch maken, " zei Toer, Rice's TT en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica. Het GO-productieproces is ontwikkeld als onderdeel van een onderzoeksproject met M-I SWACO, een in Houston gevestigde producent van boorvloeistoffen voor de petrochemische industrie die grafeen hoopt te gebruiken om de productiviteit van putten te verbeteren. (Lees daarover hier.)

Wetenschappers maken al sinds de 19e eeuw GO, maar het nieuwe proces elimineert een belangrijk struikelblok voor bulkproductie, zei toer. "Mensen gebruikten kaliumchloraat of natriumnitraten die giftige gassen afgeven - waarvan er één, chloordioxide, is explosief, " zei hij. "Fabrikanten zijn altijd terughoudend om op grote schaal over te gaan tot een proces dat explosieve tussenproducten genereert."

Tour en zijn collega's gebruikten een proces dat vergelijkbaar is met het proces dat ze gebruikten om meerwandige nanobuisjes uit te pakken tot grafeen nanoribbons, zoals beschreven in een Nature-paper van vorig jaar. Ze verwerken grafietvlokken - potloodstift - met kaliumpermanganaat, zwavelzuur en fosforzuur, allemaal gebruikelijk, goedkope chemicaliën.

"Veel bedrijven zijn begonnen met het maken van grafeen en grafeenoxide, en ik denk dat ze het heel moeilijk zullen krijgen om met een goedkopere procedure te komen die zo efficiënt, veilig en milieuvriendelijk is, ' zei Tour.

De onderzoekers suggereerden dat het in water oplosbare product gebruikt zou kunnen worden in polymeren, keramiek en metalen, als dunne films voor elektronica, als medicijnafgifteapparatuur en voor waterstofopslag, evenals voor olie- en gaswinning.

Hoewel GO een natuurlijke isolator is, het kan chemisch worden gereduceerd tot een geleider of halfgeleider, hoewel niet zonder gebreken, zei toer.

Met zoveel mogelijke paden naar de omgeving, het lot van GO nanomaterialen betrokken Tour, die het advies heeft ingewonnen van Rice-collega Lüttge.

Lüttge en Everett Salas, een postdoctoraal onderzoeker in zijn laboratorium en hoofdauteur van het tweede artikel, had al de effecten van bacteriën op koolstof bestudeerd, dus het was eenvoudig om hun aandacht te verleggen naar GO. Ze ontdekten dat bacteriën van het geslacht Shewanella GO gemakkelijk omzetten in onschadelijk grafeen. Het grafeen stapelt zich vervolgens op tot grafiet.

"Dat is een groot pluspunt voor groene nano, omdat deze alomtegenwoordige bacteriën GO snel omzetten in een milieuvriendelijk mineraal, ' zei Tour.

Eigenlijk, Salas zei, Shewanella heeft ontdekt hoe ze vaste metaaloxiden kan "ademen". "Deze bacteriën hebben zichzelf binnenstebuiten gekeerd. Als we zuurstof inademen, de reacties gebeuren in onze cellen. Deze microben hebben die componenten genomen en aan de buitenkant van hun cellen geplaatst."

Het is deze mogelijkheid waarmee ze GO kunnen reduceren tot grafeen. "Het is een mechanisme dat we niet helemaal begrijpen, omdat we tot een paar maanden geleden niet wisten dat het mogelijk was. " zei hij over het proces met betrekking tot GO.

Het beste nieuws van allemaal, Lüttge zei, is dat deze metaalverminderende bacteriën "vrijwel overal worden aangetroffen, dus het is niet nodig om de omgeving ermee te 'inoculeren', " zei hij. "Deze bacteriën zijn geïsoleerd uit elke denkbare omgeving - meren, de zeebodem, rivier modder, de open oceaan, oliepekel en zelfs uraniummijnen."

Hij zei dat de microben ook ijzer worden, chroom, uranium- en arseenverbindingen in "meestal goedaardige" mineralen. "Daarom, ze spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling van op bacteriën gebaseerde bioremediatietechnologieën."

Lüttge verwacht dat de ontdekking zal leiden tot andere praktische technologieën. Zijn laboratorium onderzoekt de interactie tussen bacteriën en grafietelektroden om brandstofcellen te ontwikkelen die door microben worden aangedreven. in samenwerking met het Air Force Office of Scientific Research en het Multidisciplinair Universitair Onderzoeksinitiatief (MURI).