Odpověď na téma: 42. CP SOČ online – obor 03 chemie

[Jiří Šalajka]

1. V postupu přípravy vzorku pro měření Ramanovy spektroskopie s GO/rGO hovoříte o aplikaci roztoku této látky na fluorid vápenatý a okamžitém měření spekter v obavách o případnou oxidaci materiálu. Při přípravě však používáte k odstranění zbytků redukčního činidla peroxid a materiál sušíte. Dochází k částečné zpětné oxidaci? Je žádoucí?
V práci zdůrazňuji okamžité měření vzorků z toho důvodu, že díky tomu by výsledné spektrum mělo být co možná nevíce charakteristické pro daný vzorek připravený dle dané syntézy. Nicméně vzdušná oxidace vzorků je při řádu minut u rGO prakticky zanedbatelná a není nutné se jí nijak podrobně zabývat.
K částečné zpětné oxidaci vzorků při aplikaci peroxidu vodíku a sušení dochází samozřejmě v závislosti na zvolené koncentraci, teplotě a délce těchto kroků. Zpětná oxidace je dle našich poznatků žádoucí pouze v konkrétních případech. Nedá se naprosto zobecnit pro které syntézy je zpětná oxidace přínosná, každopádně z mých pozorování, které jsou podložené i měřením Ramanových spekter, se dá říct, že zpětná oxidace je vhodná pro poměrně krátké syntézy prováděné při vyšší teplotě s méně atakujícím redukčním činidlem. Zřejmě nejdůležitějším faktorem je však koncentrace redukčního činidla. Například při aplikaci kyseliny askorbové jsou tyto procesy žádoucí, při využívání NaBH4 spíš nikoliv.
2. Byly některé syntézy opakovány za stejných podmínek a byla naměřena totožná spektra?
Vybrané syntézy (celkem 5) byly opakovány za totožných podmínek a výsledky těchto syntéz byly mezi sebou porovnávány. Tyto experimenty jsem dělal spíše pro svůj osobní zájem, abych si ověřil, jak jsou dané postupy spolehlivé a do budoucna aplikovatelné v reálné praxi. Vzhledem k tomu, že výsledky opakovaných syntéz byly vždy stejné, mohu říct, že syntéza rGO je sofistikovaný proces, který má velký potenciál budoucího uplatnění.
3. NaBH4 reaguje rychle s vodou jako zdrojem H+ za vzniku H2. Jak byla prováděna redukce GO tetrahydridoboritanem sodným a co tedy bylo aktivním redukčním činidlem?
NaBH4 je schopný redukovat karbonylové skupiny na hydroxylové skupiny. Redukce byla prováděna tak, že nejdříve bylo pH upraveno na zásadité a teprve poté byl do vzorku přidán NaBH4. Samotný detailní rozbor procesu redukce je poměrně složitějším procesem, na který mi bohužel nyní nezbývá čas.

4. V kapitole 3.1.3 píšete, že rGO byl rozpuštěný v destilované vodě. Je tento opravdu rozpustný ve vodě?
Ano, takto připravený rGO je rozpustný ve vodě při použití ultrazvuku po dobu 10 minut. Po tomto procesu je výsledný vzorek plně homogenní.

5. Jak si stojí grafen v účinnosti pro SERS ve srovnání s nanočásticemi kovů?
SERS je poměrně stará metoda založená na zdrsněných částicích kovů, která přinesla velkou revoluci v Ramanově spektroskopii. V dnešní době je její detekční limit až 10-8 M. Nicméně zesílení SERS přináší spolu různé problémy jako je zejména fluorescence, fotodegradace apod. GERS je zatím stále ještě mladá metoda, která není u konce svého vývoje. Neustále jsou objevovány materiály s lepšími vlastnostmi a detekčními limity. Nejnovější výsledky uvádějí dokonce na N-dopovaném grafenu detekční limit až neuvěřitelných 10-12 M. Nicméně tyto fantastické výsledky jsou obvykle prezentovány na dokonalých jednovrstvých materiálech, jejichž výroba je nesmírně drahá a jejich možnost uplatnění do praxe je velmi pochybná. Grafen či jeho deriváty obvykle přinášejí podobné detekční limity a intenzity spektra jako SERS, každopádně jsou zde nesporné výhody jako třeba potlačení fluoresce apod. Osobně si myslím, že GERS jednou vytlačí SERS či nanočástice kovů v praxi, ale jedná se ještě o dlouhou cestu, jejíž délka bude záležet na vývoji nových postupů pro levnější a snadnější přípravu grafenu/grafénových derivátů. Zajímavou variantou jsou grafénové deriváty spojené s nanočásticemi kovů, které mohou mít do budoucna největší aplikační potenciál.

6. Uvádíte, že grafen má „nesmírné“ uplatnění. Jaká je přibližná cena např. 1 tuny grafenu?
Určit cenu grafenu je velmi těžké, a to z toho důvodu, že cena grafenu závisí na procesu přípravy, připravovaném množství apod. To vše má za následek velké rozdíly v kvalitě připravovaného grafen a možnostech jeho uplatnění. Např. vícevrstvý grafen s častými defekty bude výrazně levnější než dokonalý jednovrstvý grafen, který má zase lepší uplatnění. Závisí také na obchodovaném množství. V poslední době se výzkum žene za hledáním nových cest pro přípravu grafenu, což jistě brzy dovede přípravu grafenu do takového stádia, že cena grafenu bude dostatečně atraktivní pro jeho masivní aplikaci (např. zprávy z MUNI budí v poslední době velké ohlasy). Technologie se neustále vyvíjejí, a to, co bylo před 10 lety nemožné, bude zanedlouho standardem. Cena grafenu za tunu je také zavádějící vzhledem k hmotnosti grafenu, která je, co se týče plochy, zanedbatelná. Mohu uvést, že1 cm2 grafenu na mědi vhodného pro GERS stojí cca 1500 Kč.

7. Lze zobecnit, jak by tedy mělo vypadat Ramanovo spektrum optimálního redukovaného grafen-oxidu pro dané použití? Je to závislé na použitém substrátu (tj., co kdyby byla použita jiná látka než rhodamin)?
Z našich měření nám vyplívá, že ideální spektrum rGO pro SERS by mělo být oproti původnímu GO výrazně intenzivnější (alespoň třikrát intenzivnější). Zároveň by poměr G/D píku měl být cca 0,925 (toto číslo je prozatím velmi přibližné a záleží na konkrétních požadavcích pro budoucí aplikaci). Plně jsi nejsem jistý porozuměním druhé otázky. V tomto případě není substrátem rodamín 6G, ale právě rGO. Rodamín je jenom modelová molekula simulující fiktivní vzorek. Každopádně rozdíly v modelových/měřených molekulách by neměly být nijak zásadní.