Les matériaux bidimensionnels à base de graphène sont récemment apparus comme un centre d'exploration scientifique en raison de leurs propriétés structurelles, mécaniques, électriques, optiques et thermiques exceptionnelles. Parmi eux, les nanofeuilles à base d'oxyde de graphène (GO), un dérivé oxydé du graphène, aux dimensions ultrafines et extra larges et aux surfaces riches en oxygène, sont très prometteuses.
Les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène, tels que les groupes carboxy et hydroxy acides, génèrent des charges négatives denses, rendant les nanofeuilles GO colloïdalement stables dans l'eau. En conséquence, ils constituent des éléments de base précieux pour les matériaux souples fonctionnels de nouvelle génération.
En particulier, les nanofeuilles GO thermosensibles ont attiré beaucoup d'attention pour leurs applications étendues, depuis les membranes et surfaces intelligentes et les systèmes recyclables jusqu'aux actionneurs d'hydrogel et aux plates-formes biomédicales. Cependant, les stratégies de synthèse dominantes pour générer des comportements thermosensibles impliquent de modifier les surfaces des nanofeuilles GO avec des polymères thermosensibles tels que le poly (N -isopropylacrylamide). Ce processus est complexe et présente des limites potentielles dans les efforts de fonctionnalisation ultérieurs.
Pour relever ce défi, des chercheurs dirigés par le professeur adjoint Koki Sano et M. Shoma Kondo du département de chimie et des matériaux de l'université de Shinshu au Japon ont récemment présenté une approche innovante appelée « ingénierie de contre-cation » pour conférer la capacité thermosensible souhaitée aux nanofeuilles GO elles-mêmes. . Leurs travaux ont été publiés dans ACS Applied Materials &Interfaces. .
Le Dr Sano explique :« Cette étude présente une voie simplifiée et efficace pour atteindre la thermoréactivité en capitalisant sur les contre-cations (ions chargés positivement) intrinsèquement présents dans les nanofeuilles GO. Le contrôle de ces contre-cations offre un outil puissant pour l'ingénierie de nanomatériaux sensibles aux stimuli. » /P>
Dans leur étude, les chercheurs ont établi un protocole de synthèse robuste impliquant une réaction en deux étapes dans l’eau pour synthétiser des nanofeuilles GO avec des contre-cations spécifiques. Une réaction d'échange a d'abord remplacé les contre-cations des groupes carboxy et hydroxy acides par des protons. Cela a été suivi d'une réaction acide-base utilisant un anion hydroxyde avec les contre-anions cibles, aboutissant aux nanofeuilles GO souhaitables.
Des études systématiques sur leur comportement thermosensible ont révélé que les nanofeuilles GO contenant du tétrabutylammonium (Bu4 N + ) les contre-cations présentaient une nature thermosensible inhérente dans les environnements aqueux sans nécessiter de polymères thermosensibles.
De plus, les chercheurs ont démontré une transition sol-gel réversible marquée par des processus d’auto-assemblage et de désassemblage. Lors du chauffage, le Bu4 lamellaire N + Des nanofeuilles GO à base de répulsion électrostatique (état sol) entre elles réassemblées pour former un réseau interconnecté dominé par l'attraction de van der Waals (état gel).
Cette transition remarquable peut, en fait, être exploitée pour développer une encre d'écriture directe permettant de construire des architectures de gel concevables en trois dimensions des nanofeuilles GO, ont souligné les chercheurs.
Dans l’ensemble, les conclusions de l’étude ont de profondes implications. "La synthèse contrôlée de nanofeuilles GO avec des contre-cations sur mesure a dévoilé une voie vers des matériaux thermosensibles polyvalents et simplifiés. Les nanofeuilles GO thermosensibles sont des éléments de base prometteurs pour les applications biomédicales, énergétiques et environnementales, telles que les membranes intelligentes, la robotique douce et les systèmes recyclables, des actionneurs d'hydrogel et des solutions biomédicales", explique le Dr Sano.
"De plus, la possibilité d'écrire directement avec les dispersions de nanofeuilles GO offre une nouvelle dimension à la conception des matériaux, permettant la construction facile de structures de gel complexes", conclut-il.
Plus d'informations : Koki Sano et al, Ingénierie de contre-cation de nanofeuilles d'oxyde de graphène pour conférer une capacité thermosensible, Matériaux et interfaces appliqués ACS (2023). DOI :10.1021/acsami.3c07820
Informations sur le journal : Matériaux et interfaces appliqués ACS
Fourni par l'Université de Shinshu
