กราฟีนปัจจุบันเป็นหนึ่งในวัสดุยอดนิยมสำหรับการวิจัย มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมหลายประการ เช่น การนำไฟฟ้าสูง การนำความร้อนสูง สมบัติเชิงกลที่ดี เป็นต้น เมื่อเร็วๆ นี้ ควอนตัมดอตที่ทำจากกราฟีนก็ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางเช่นกัน จุดควอนตัมกราฟีนถือเป็นวัสดุที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์เก็บแสง ไฟฟ้า และพลังงานรุ่นต่อไป และได้รับความสนใจเนื่องจากข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานต่างๆ บทความนี้จะแนะนำคุณสมบัติ การสังเคราะห์ และการประยุกต์ใช้จุดควอนตัมกราฟีน
1. ผลการดำเนินงานของจุดควอนตัมกราฟีน
จุดควอนตัมกราฟีนเป็นวัสดุคาร์บอนชนิดใหม่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 10 นาโนเมตร เมื่อเปรียบเทียบกับจุดควอนตัมเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม จุดควอนตัมแบบกราฟีนมีข้อดีดังต่อไปนี้:
(1) การปรับขนาด: จุดควอนตัมกราฟีนมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ปรับได้ ซึ่งช่วยให้กราฟีนควอนตัมดอทแสดงคุณสมบัติและฟังก์ชันต่างๆ ในการใช้งานต่างๆ ได้
(2) ประสิทธิภาพออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่แข็งแกร่ง: โครงสร้างแถบความถี่ของจุดควอนตัมกราฟีนทำให้พวกมันมีคุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม
(3) ความเสถียรที่ดี: มีกลุ่มการทำงานมากมายบนพื้นผิวของจุดควอนตัมกราฟีน ซึ่งสามารถรักษาคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวให้คงที่ได้
2. การสังเคราะห์จุดควอนตัมกราฟีน
มีสองวิธีในการเตรียมจุดควอนตัมกราฟีน: จากบนลงล่างและจากล่างขึ้นบน
การสังเคราะห์จากบนลงล่าง
วิธีการจากบนลงล่างหมายถึงการแกะสลักทางกายภาพหรือทางเคมีของวัสดุขนาดใหญ่ลงในจุดควอนตัมกราฟีนระดับนาโน ซึ่งสามารถเตรียมได้ผ่านเส้นทางการขัดผิวด้วยความร้อนของตัวทำละลาย เคมีไฟฟ้า และเคมี
วิธีการใช้ความร้อนด้วยตัวทำละลายเป็นหนึ่งในหลายวิธีในการเตรียมจุดควอนตัมกราฟีน และกระบวนการสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน ขั้นแรก กราฟีนที่ถูกออกซิไดซ์จะถูกรีดิวซ์เป็นแผ่นนาโนกราฟีนภายใต้อุณหภูมิสูงในสถานะสุญญากาศ ออกซิไดซ์และตัดแผ่นนาโนกราฟีนในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นและกรดไนตริกเข้มข้น ในที่สุด แผ่นนาโนกราฟีนที่ถูกออกซิไดซ์จะถูกรีดิวซ์ในสภาพแวดล้อมความร้อนของตัวทำละลายเพื่อสร้างจุดควอนตัมกราฟีน
กระบวนการเตรียมเคมีไฟฟ้าของจุดควอนตัมกราฟีนสามารถสรุปได้เป็นสามขั้นตอน: ระยะคือช่วงเหนี่ยวนำเมื่อกราไฟท์กำลังจะลอกออกและก่อตัวเป็นกราฟีน และสีของอิเล็กโทรไลต์เริ่มเปลี่ยนจากไม่มีสีเป็นสีเหลืองแล้วเปลี่ยนเป็นสีเข้ม สีน้ำตาล; ขั้นตอนที่สองคือการขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญของกราไฟท์ในขั้วบวก ขั้นตอนที่สามคือเมื่อสะเก็ดกราไฟท์หลุดออกจากขั้วบวกและกลายเป็นสารละลายสีดำร่วมกับอิเล็กโทรไลต์ ระยะที่ 2 และ 3 พบตะกอนที่ด้านล่างของบีกเกอร์ ในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า มีอันตรกิริยาระหว่างน้ำกับไอออนในของเหลวไอออนิก ดังนั้นการกระจายรูปร่างและขนาดของผลิตภัณฑ์จึงสามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนของน้ำต่อของเหลวไอออนิก ขนาดของจุดควอนตัมที่เตรียมจากอิเล็กโทรไลต์ที่มีความเข้มข้นของไอออนสูงจะมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของอิเล็กโทรไลต์ที่มีความเข้มข้นต่ำ
หลักการของการขัดผิวด้วยสารเคมีของเส้นใยคาร์บอนคือการขัดผิวแหล่งกำเนิดคาร์บอนทีละชั้นผ่านปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อให้ได้จุดควอนตัมกราฟีน เป็ง และคณะ ใช้เส้นใยคาร์บอนที่มีเรซินเป็นหลักเป็นแหล่งคาร์บอน จากนั้นจึงลอกกราไฟท์ที่ซ้อนกันอยู่ในเส้นใยออกโดยผ่านการบำบัดด้วยกรด สามารถหาจุดควอนตัมกราฟีนได้ในขั้นตอนเดียว แต่ขนาดอนุภาคไม่เท่ากัน
การสังเคราะห์จากล่างขึ้นบน
วิธีการจากล่างขึ้นบนหมายถึงการเตรียมจุดควอนตัมกราฟีนโดยใช้หน่วยโครงสร้างขนาดเล็กเป็นสารตั้งต้นผ่านชุดแรงปฏิสัมพันธ์ ส่วนใหญ่ผ่านเส้นทางการเตรียม เช่น เคมีของสารละลาย อัลตราซาวนด์ และวิธีการไมโครเวฟ
วิธีเคมีของสารละลายส่วนใหญ่จะใช้เพื่อเตรียมจุดควอนตัมกราฟีนด้วยวิธีเคมีในเฟสสารละลายของการควบแน่นของอะริลออกซิเดชัน กระบวนการสังเคราะห์เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการควบแน่นอย่างค่อยเป็นค่อยไปของโพลีเมอร์โมเลกุลขนาดเล็ก (3-ไอโอโด-4-โบรโมอะนิลีนหรืออนุพันธ์ของเบนซีนอื่นๆ) เพื่อให้ได้สารตั้งต้นของโพลีสไตรีนเดนไดรต์ ตามด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันเพื่อให้ได้กลุ่มกราฟีน และสุดท้ายก็แกะสลักเพื่อให้ได้จุดควอนตัมของกราฟีน
หลักการไมโครเวฟใช้น้ำตาล (เช่น กลูโคส ฟรุคโตส ฯลฯ) เป็นแหล่งคาร์บอน เนื่องจากหลังจากการคายน้ำ น้ำตาลจะก่อตัวเป็น C=C ซึ่งสามารถสร้างหน่วยโครงกระดูกพื้นฐานของจุดควอนตัมกราฟีนได้ ธาตุไฮโดรเจนและออกซิเจนในกลุ่มไฮดรอกซิลและคาร์บอกซิลจะถูกทำให้แห้งและถูกกำจัดออกไปในสภาพแวดล้อมไฮโดรเทอร์มอล ในขณะที่หมู่ฟังก์ชันที่เหลือจะยังคงจับกับพื้นผิวของจุดควอนตัมกราฟีน พวกมันมีอยู่เป็นชั้นพาสซีฟ ซึ่งทำให้จุดควอนตัมกราฟีนมีความสามารถในการละลายน้ำและคุณสมบัติเรืองแสงได้ดี
3. การใช้จุดควอนตัมกราฟีน
จุดควอนตัมกราฟีนมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในหลายสาขา นี่คือบางส่วนของแอปพลิเคชันเหล่านี้:
(1) สาขาชีวการแพทย์: จุดควอนตัมกราฟีนมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างภาพเซลล์ การปลดปล่อยยาที่ควบคุม การตรวจจับทางชีวโมเลกุล และสาขาอื่นๆ
(2) สารเรืองแสง: เนื่องจากความเข้มของแสงฟลูออเรสเซนต์สูงและผลผลิตควอนตัมเรืองแสงของจุดควอนตัมกราฟีน จึงสามารถนำมาใช้ในด้านต่างๆ เช่น จอแสดงผลและหมึกเรืองแสง
(3) อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานออปโตอิเล็กทรอนิกส์: เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าที่ดีและพื้นที่ผิวจำเพาะสูงของจุดควอนตัมกราฟีน จึงสามารถใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และการใช้งานอื่น ๆ
โดยสรุป จุดควอนตัมกราฟีนดึงดูดความสนใจได้มากในฐานะวัสดุใหม่ แม้ว่าวิธีการเตรียมจุดควอนตัมกราฟีนยังไม่สมบูรณ์เพียงพอ แต่โอกาสที่จะนำไปใช้ในวงกว้างในด้านชีวการแพทย์ วัสดุเรืองแสง การจัดเก็บพลังงาน และสาขาอื่น ๆ ก็คุ้มค่าที่จะรอคอย
