En 2012-2013, une collaboration de recherche internationale a découvert un phénomène qui pouvait être observé au microscope optique pendant les transitions de stade dans les composés d'intercalation du graphite. Il a fallu au chef d'équipe, le Dr Ayrat M. Dimiev, six années de recherches supplémentaires, y compris des expériences supplémentaires à l'Université fédérale de Kazan, pour bien comprendre les forces motrices derrière les phénomènes observés.

Les expériences ont été menées avec la participation de Ph.D. diplômé Ksenia Shukhina. Une percée importante est venue de l'utilisation de la cartographie Raman ultrarapide de la surface du graphite pendant les transitions d'étape. Le journal russo-américain est paru dans The Journal de chimie physique C .

Les composés d'intercalation du graphite (GIC) sont formés par l'insertion de certaines espèces atomiques et moléculaires entre les couches de graphène du graphite. Les composés résultants possèdent une gamme de propriétés uniques, qui ne sont pas spécifiques aux matériaux parents. L'une des propriétés les plus intrigantes du GIC est sa supraconductivité, une découverte qui a suscité beaucoup d'intérêt. En fonction du potentiel électrochimique de l'intercalant et de la charge respective sur les couches de graphène, le graphite forme des structures où l'on, deux ou plusieurs couches de graphène sont prises en sandwich entre les deux couches d'intercalant. Les composés résultants sont appelés stade-1, étape-2, et les CPG de stade 3, respectivement. Malgré des recherches intensives et durables sur les CPG, le mécanisme des transitions scéniques reste obscur.

Dans cette étude, les auteurs ont utilisé la microscopie optique et Raman pour effectuer suivi en temps réel des transitions d'étapes en H 2 DONC 4 -GIC fabriqué à partir de graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG). Ils ont observé que les transitions de stade dans le GIC à base de HOPG se produisent très différemment de celles dans le GIC fabriqué à partir de graphite en flocons naturel. Pendant la transition du stade 2 au stade 1, la formation de la phase 2 commence presque simultanément sur toute la surface du graphite qui est exposée au média.

Ceci a été attribué au mouvement des petites portions intercalantes vers les points d'attraction, augmentant ainsi les îles continues. Cependant, pendant le processus inverse, la transition du stade 1 au stade 2 commence strictement à partir des bords de l'échantillon de graphite et se propage vers son centre. L'observation la plus frappante était que le front de désintercalation était discontinu; à savoir, les domaines sélectionnés de taille micrométrique de la surface du graphite se désintercalent préférentiellement pour libérer la contrainte qui avait été induite par l'intercalation. La dynamique intercalante dans les galeries de graphite 2-D, se produisant à la vitesse de> 240 m/s, a une cinétique rapide. Le processus d'intercalation initial est différent du reste des cycles de réintercalation. La différence dans les mécanismes des transitions d'étage dans les GIC à base de graphite naturel en paillettes et dans les GIC à base de HOPG illustre le rôle de la structure du graphite pour la dynamique intercalante dans les galeries de graphite 2-D.

Les découvertes faites dans cette étude font avancer le domaine du graphène et ont plusieurs applications potentielles. Les GIC peuvent être considérés comme des empilements de graphène dopé, qui peut être facilement préparé par des réactions totalement réversibles; le niveau de dopage peut être facilement contrôlé par les conditions de réaction. Deuxièmement, l'intercalation affaiblit les forces d'adhérence entre les couches de graphène adjacentes. Ainsi, Les GIC servent de précurseurs pour obtenir du graphène monocouche et des nanoplaquettes de graphène par exfoliation en phase liquide. Troisième, Les GIC servent d'intermédiaires importants et inévitables en route vers la fonctionnalisation covalente du graphène en raison de l'état chargé des atomes de carbone. Enfin et surtout, Le fonctionnement de la batterie Li-ion est basé sur l'intercalation-désintercalation cyclique d'ions lithium avec du graphite. Comprendre le mécanisme de transition d'étape aidera à faire progresser toutes ces applications.

Le chef d'équipe Ayrat Dimiev conclut, "Les transitions d'étape étudiées dans le H 2 DONC 4 -Les GICs s'accompagnent du transfert de protons vers et depuis l'acide sulfurique intercalé qui se produit par le mécanisme de Grotthuss, c'est-à-dire qu'il est ultrarapide et "sans friction". Nous pensons vérifier si cela est vrai. Si oui, ces systèmes peuvent être utilisés comme conducteurs de protons dans les piles à combustible à hydrogène. Une autre direction consiste à développer une procédure efficace et à haut débit pour l'exfoliation en phase liquide du graphite en graphène monocouche."