Оксид графита

Оксид графита — соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Наиболее окисленные формы являются твёрдыми жёлтыми веществами с соотношением C:O в пределах от 2,1 до 2,9.

Существует множество моделей структуры оксида графита. Это обусловлено тем что он имеет довольно сложную структуру, аморфен, бертоллид, а также отсутствием аналитических методов для характеристики таких материалов.

• Структура Хоффмана состоит из эпоксидных групп, распределённых по плоскости и приписывает оксиду формулу С₂O.
• Ресс предложил другой вариант с использованием гидроксильных групп. Базальная плоскость превратилась из sp²- в sp³-гибридизованную систему. Эта формула была создана как аналог таковой в полимере карбон монофторида.
• Модель Шольца-Боема не содержит эпоксидных групп.
• Структура Декани — модификация двух предыдущих.
• Структура Наккадзима-Мацуо является аналогом полимера дикарбон монофторида.
• Новейшая модель Лерфа — Клиновского более сосредоточена на нестехиометрической, аморфной альтернативе.

Основную часть оксида графита используют для приготовления дисперсной системы с щелочами для получения мономолекулярных листов, которые называют оксидом графена (по аналогии с графеном, который является однослойной формой графита).

Листы из оксида графена были использованы для создания очень прочного материала, который напоминает бумагу, и как промежуточный продукт для получения графена (по состоянию на 2010 это невозможно, так как графен, полученный этими реакциями до сих пор имеет многие химические и структурные дефекты)

История открытия

Оксид графита впервые был приготовлен оксфордским учёным Бенджамином Броди в 1859 году при обработке графита смесью хлората калия с азотной кислотой. В 1957 году учёными Вильямом Хаммерсом и Ричардом Офферманом был найден более надёжный, быстрый и эффективный процесс с использованием смеси серной кислоты H₂SO₄, нитрата натрия NaNO₃ и перманганата калия KMnO₄. Этот метод всё еще широко распространён и до сих пор используется для синтеза оксида графита.

Недавно смесь H₂SO₄ и KMnO₄ была использована для продольного «разрезания» углеродных нанотрубок, в результате чего образовались микроскопические плоские ленты из графена несколько атомов длиной, с «крышами» из атомов кислорода или гидроксильных групп.

Оксид графита также может быть приготовлен по методу Тан-Лау, в котором используется глюкоза. Этот метод является более безопасным, более лёгким и более экологически чистым по сравнению с традиционными реакциям с применением сильных окислителей. Другое важное преимущество метода Тан-Лау — это лёгкое управление толщиной.

Структура

Структура и свойства оксида графита зависят от конкретного метода синтеза и степени окисленности. Обычно сохраняются слои, как и у графита, но расстояние между ними увеличивается примерно в два раза (~0,7 нм) по сравнению с графитом. Строго говоря, «оксид» является неправильным, но исторически сложившимся названием. Кроме эпоксидных групп есть и другие экспериментально установленные функциональные группы, например, карбонильная, гидроксильная, фенольные. Существуют свидетельства «изгибов» и растрескивания графеновых листов оксида при осаждении слоев на субстрате. Детальная структура до сих пор не понятна из-за сильного расстройства и нерегулярной упаковки слоёв.

Толщина графеновых слоёв оксида составляет около 1,1 ± 0,2 нм. При помощи туннельной микроскопии были найдены местные регионы, где атомы кислорода расположены в постоянной решетке 0,27 нм × 0,41 нм, края каждого слоя обрываются карбоксильными и карбонильными группами. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показывает наличие атомов углерода в кольцах, не содержащих кислорода (284,8 эВ), C-O (286,2 эВ) в C=O (287,8 эВ) и в O-C=O (289,0 эВ).

Оксид графита легко гидратируется, в результате чего увеличивается межплоскостное расстояние (до 1,2 нм в насыщенном состоянии). Дополнительное количество воды также включается в прослойку из-за высокого давления индуцированных эффектов. Основной продукт поглощает влагу из окружающего воздуха пропорционально влажности. Полное удаление воды очень тяжело, так как нагревание при 60-80 °С приводит к частичному разложению и деградации материала. Подобно воде, оксид графита также легко включает другие полярные растворители, например, спирты (а также ДМФА и N-метилпирролидон). Разделение слоев оксида графита пропорционально размеру молекулы спирта, дополнительные монослои вставляются в структуру при высоком давлении.

Оксид графита разлагается при быстром нагревании при умеренно высоких температурах (~280—300 °C) с образованием мелкодисперсного аморфного углерода, немного похожего на активированный уголь. Сажа состоит из тончайших графитовых чешуек толщиной 2—5 нм, диаметр которых может доходить до нескольких сотых долей миллиметра, что зависит от природы исходного графита. Поскольку при этом высвобождается кислород, связанный в виде СО и СO₂ в оксиде графита, не исключено, что в решетке графита возникают пустоты атомарных размеров.

Применение

Благодаря специфической двумерной структуре и существованию разных кислородсодержащих функциональных групп оксид графита имеет множество применений в самых разнообразных областях.

Суперконденсаторы

Гидроксид калия реструктурирует оксид графита, создавая трёхмерную пористую конструкцию. Каждая её стенка имеет атомарную толщину, а площадь поверхности «активированного» оксида графита доходит до 3100 м²/г. Материал также отличается высокой удельной электропроводностью. Диаметр большей части пор в готовых образцах попадает в интервал 0,6—5 нм. В экспериментах суперконденсатор, построенный с использованием нового электродного материала, показал очень хорошие гравиметрические ёмкость и плотность энергии, причём последняя приближалась к показателям свинцово-кислотных аккумуляторов. После 10 000 циклов зарядки/разрядки «активированный» оксид графита продолжал работать на 97 % исходной ёмкости.

Сверхпрочная бумага

При растворении в воде оксид графита расслаивается на слои оксида графена. Полученный раствор фильтруют через специальную мембрану, на которой слои вновь связываются, но уже в гораздо более прочную, чем графит, структуру — графеновую бумагу. Слои обычного графита связаны между собой очень слабо и разрыв связей происходит легко. В графеновой бумаге, напротив, слои переплетаются между собой, поэтому нагрузка может распределяться равномерно по всей структуре, делая её весьма прочной. То, как слои переплетаются, позволяет им слегка смещаться друг относительно друга, делая всю структуру гибкой. Что еще важнее, можно химически управлять свойствами данного материала, изменяя количество кислорода в слоях. Например, уменьшив его, можно сделать бумагу из диэлектрика хорошим проводником. Также планируется внедрять в структуру графеновой бумаги различные полимеры и металлы, создавая композиты, превосходящие по своим свойствам как чистый графен, так и допант.

Исследования ДНК

Большая плоская поверхность оксида графена позволяет одновременно исследовать несколько ДНК-зондов, меченных различными красителями, обеспечивая обнаружение нескольких целевых ДНК в том же растворе. Дальнейший прогресс в поиске сенсоров из оксида графена и ДНК может привести к созданию недорогих систем экспресс-анализа ДНК.

Ссылки

• [physicsworld.com/cws/article/news/45976 Получен «активированный» оксид графита, улучшающий характеристики суперконденсаторов] (англ.). Проверено 24 июня 2013. [www.webcitation.org/6Hlo79w5F Архивировано из первоисточника 1 июля 2013].
• [nanotechweb.org/articles/news/6/7/23/1 Графеновая бумага]. Проверено 24 июня 2013. [www.webcitation.org/6Hlo947Ke Архивировано из первоисточника 1 июля 2013].

Отрывок, характеризующий Оксид графита

Вице король овладеет деревней [Бородиным] и перейдет по своим трем мостам, следуя на одной высоте с дивизиями Морана и Жерара, которые, под его предводительством, направятся к редуту и войдут в линию с прочими войсками армии.
Все это должно быть исполнено в порядке (le tout se fera avec ordre et methode), сохраняя по возможности войска в резерве.
В императорском лагере, близ Можайска, 6 го сентября, 1812 года».
Диспозиция эта, весьма неясно и спутанно написанная, – ежели позволить себе без религиозного ужаса к гениальности Наполеона относиться к распоряжениям его, – заключала в себе четыре пункта – четыре распоряжения. Ни одно из этих распоряжений не могло быть и не было исполнено.
В диспозиции сказано, первое: чтобы устроенные на выбранном Наполеоном месте батареи с имеющими выравняться с ними орудиями Пернетти и Фуше, всего сто два орудия, открыли огонь и засыпали русские флеши и редут снарядами. Это не могло быть сделано, так как с назначенных Наполеоном мест снаряды не долетали до русских работ, и эти сто два орудия стреляли по пустому до тех пор, пока ближайший начальник, противно приказанию Наполеона, не выдвинул их вперед.
Второе распоряжение состояло в том, чтобы Понятовский, направясь на деревню в лес, обошел левое крыло русских. Это не могло быть и не было сделано потому, что Понятовский, направясь на деревню в лес, встретил там загораживающего ему дорогу Тучкова и не мог обойти и не обошел русской позиции.
Третье распоряжение: Генерал Компан двинется в лес, чтоб овладеть первым укреплением. Дивизия Компана не овладела первым укреплением, а была отбита, потому что, выходя из леса, она должна была строиться под картечным огнем, чего не знал Наполеон.
Четвертое: Вице король овладеет деревнею (Бородиным) и перейдет по своим трем мостам, следуя на одной высоте с дивизиями Марана и Фриана (о которых не сказано: куда и когда они будут двигаться), которые под его предводительством направятся к редуту и войдут в линию с прочими войсками.
Сколько можно понять – если не из бестолкового периода этого, то из тех попыток, которые деланы были вице королем исполнить данные ему приказания, – он должен был двинуться через Бородино слева на редут, дивизии же Морана и Фриана должны были двинуться одновременно с фронта.
Все это, так же как и другие пункты диспозиции, не было и не могло быть исполнено. Пройдя Бородино, вице король был отбит на Колоче и не мог пройти дальше; дивизии же Морана и Фриана не взяли редута, а были отбиты, и редут уже в конце сражения был захвачен кавалерией (вероятно, непредвиденное дело для Наполеона и неслыханное). Итак, ни одно из распоряжений диспозиции не было и не могло быть исполнено. Но в диспозиции сказано, что по вступлении таким образом в бой будут даны приказания, соответственные действиям неприятеля, и потому могло бы казаться, что во время сражения будут сделаны Наполеоном все нужные распоряжения; но этого не было и не могло быть потому, что во все время сражения Наполеон находился так далеко от него, что (как это и оказалось впоследствии) ход сражения ему не мог быть известен и ни одно распоряжение его во время сражения не могло быть исполнено.


Многие историки говорят, что Бородинское сражение не выиграно французами потому, что у Наполеона был насморк, что ежели бы у него не было насморка, то распоряжения его до и во время сражения были бы еще гениальнее, и Россия бы погибла, et la face du monde eut ete changee. [и облик мира изменился бы.] Для историков, признающих то, что Россия образовалась по воле одного человека – Петра Великого, и Франция из республики сложилась в империю, и французские войска пошли в Россию по воле одного человека – Наполеона, такое рассуждение, что Россия осталась могущественна потому, что у Наполеона был большой насморк 26 го числа, такое рассуждение для таких историков неизбежно последовательно.
Ежели от воли Наполеона зависело дать или не дать Бородинское сражение и от его воли зависело сделать такое или другое распоряжение, то очевидно, что насморк, имевший влияние на проявление его воли, мог быть причиной спасения России и что поэтому тот камердинер, который забыл подать Наполеону 24 го числа непромокаемые сапоги, был спасителем России. На этом пути мысли вывод этот несомненен, – так же несомненен, как тот вывод, который, шутя (сам не зная над чем), делал Вольтер, говоря, что Варфоломеевская ночь произошла от расстройства желудка Карла IX. Но для людей, не допускающих того, чтобы Россия образовалась по воле одного человека – Петра I, и чтобы Французская империя сложилась и война с Россией началась по воле одного человека – Наполеона, рассуждение это не только представляется неверным, неразумным, но и противным всему существу человеческому. На вопрос о том, что составляет причину исторических событий, представляется другой ответ, заключающийся в том, что ход мировых событий предопределен свыше, зависит от совпадения всех произволов людей, участвующих в этих событиях, и что влияние Наполеонов на ход этих событий есть только внешнее и фиктивное.
Как ни странно кажется с первого взгляда предположение, что Варфоломеевская ночь, приказанье на которую отдано Карлом IX, произошла не по его воле, а что ему только казалось, что он велел это сделать, и что Бородинское побоище восьмидесяти тысяч человек произошло не по воле Наполеона (несмотря на то, что он отдавал приказания о начале и ходе сражения), а что ему казалось только, что он это велел, – как ни странно кажется это предположение, но человеческое достоинство, говорящее мне, что всякий из нас ежели не больше, то никак не меньше человек, чем великий Наполеон, велит допустить это решение вопроса, и исторические исследования обильно подтверждают это предположение.
В Бородинском сражении Наполеон ни в кого не стрелял и никого не убил. Все это делали солдаты. Стало быть, не он убивал людей.
Солдаты французской армии шли убивать русских солдат в Бородинском сражении не вследствие приказания Наполеона, но по собственному желанию. Вся армия: французы, итальянцы, немцы, поляки – голодные, оборванные и измученные походом, – в виду армии, загораживавшей от них Москву, чувствовали, что le vin est tire et qu'il faut le boire. [вино откупорено и надо выпить его.] Ежели бы Наполеон запретил им теперь драться с русскими, они бы его убили и пошли бы драться с русскими, потому что это было им необходимо.
Когда они слушали приказ Наполеона, представлявшего им за их увечья и смерть в утешение слова потомства о том, что и они были в битве под Москвою, они кричали «Vive l'Empereur!» точно так же, как они кричали «Vive l'Empereur!» при виде изображения мальчика, протыкающего земной шар палочкой от бильбоке; точно так же, как бы они кричали «Vive l'Empereur!» при всякой бессмыслице, которую бы им сказали. Им ничего больше не оставалось делать, как кричать «Vive l'Empereur!» и идти драться, чтобы найти пищу и отдых победителей в Москве. Стало быть, не вследствие приказания Наполеона они убивали себе подобных.
И не Наполеон распоряжался ходом сраженья, потому что из диспозиции его ничего не было исполнено и во время сражения он не знал про то, что происходило впереди его. Стало быть, и то, каким образом эти люди убивали друг друга, происходило не по воле Наполеона, а шло независимо от него, по воле сотен тысяч людей, участвовавших в общем деле. Наполеону казалось только, что все дело происходило по воле его. И потому вопрос о том, был ли или не был у Наполеона насморк, не имеет для истории большего интереса, чем вопрос о насморке последнего фурштатского солдата.
Тем более 26 го августа насморк Наполеона не имел значения, что показания писателей о том, будто вследствие насморка Наполеона его диспозиция и распоряжения во время сражения были не так хороши, как прежние, – совершенно несправедливы.
Выписанная здесь диспозиция нисколько не была хуже, а даже лучше всех прежних диспозиций, по которым выигрывались сражения. Мнимые распоряжения во время сражения были тоже не хуже прежних, а точно такие же, как и всегда. Но диспозиция и распоряжения эти кажутся только хуже прежних потому, что Бородинское сражение было первое, которого не выиграл Наполеон. Все самые прекрасные и глубокомысленные диспозиции и распоряжения кажутся очень дурными, и каждый ученый военный с значительным видом критикует их, когда сражение по ним не выиграно, и самью плохие диспозиции и распоряжения кажутся очень хорошими, и серьезные люди в целых томах доказывают достоинства плохих распоряжений, когда по ним выиграно сражение.
Диспозиция, составленная Вейротером в Аустерлицком сражении, была образец совершенства в сочинениях этого рода, но ее все таки осудили, осудили за ее совершенство, за слишком большую подробность.
Наполеон в Бородинском сражении исполнял свое дело представителя власти так же хорошо, и еще лучше, чем в других сражениях. Он не сделал ничего вредного для хода сражения; он склонялся на мнения более благоразумные; он не путал, не противоречил сам себе, не испугался и не убежал с поля сражения, а с своим большим тактом и опытом войны спокойно и достойно исполнял свою роль кажущегося начальствованья.


Вернувшись после второй озабоченной поездки по линии, Наполеон сказал:
– Шахматы поставлены, игра начнется завтра.
Велев подать себе пуншу и призвав Боссе, он начал с ним разговор о Париже, о некоторых изменениях, которые он намерен был сделать в maison de l'imperatrice [в придворном штате императрицы], удивляя префекта своею памятливостью ко всем мелким подробностям придворных отношений.
Он интересовался пустяками, шутил о любви к путешествиям Боссе и небрежно болтал так, как это делает знаменитый, уверенный и знающий свое дело оператор, в то время как он засучивает рукава и надевает фартук, а больного привязывают к койке: «Дело все в моих руках и в голове, ясно и определенно. Когда надо будет приступить к делу, я сделаю его, как никто другой, а теперь могу шутить, и чем больше я шучу и спокоен, тем больше вы должны быть уверены, спокойны и удивлены моему гению».