Химики разобрались с механизмом восстановления оксида графена – и создали оригинальный способ «невидимой» записи информации

Исследователи Томского Политеха при участии коллег из Китая и Австрии сумели понять, по какому механизму лазерное излучение восстанавливает оксид графена. Достаточно неожиданно выяснилось, что механизм реакции – фотохимический и восстановление происходит без участия нагрева вещества, как это считалось ранее. У нового открытия, поддержанного грантом Российского научного фонда и опубликованного в престижном Nature Communications, есть два практических следствия: более экономичные пути синтеза восстановленного оксида графена и новые способы защиты от подделок.

Оксид графена – двумерный материал, известный еще с позапрошлого века. Восстановление его различными путями приводит к снижению количества атомов кислорода в материале, а полученный материал – восстановленный оксид графена (rGO) обладает высокой тепло- и электропроводностью и может использоваться в электронике и электротехнике для различных сенсоров, датчиков и накопителей энергии, а также для получения аэрогелей. При этом восстановленный оксид графена сравнительно дешев и обладает управляемой функциональностью.

Довольно часто оксид графена восстанавливают лазером: прямым воздействием излучения видимого спектра. Этот метод представляет собой самый перспективный вариант трансфера технологии из лаборатории в промышленность, однако до сих пор на этом пути оставался барьер: неизвестный механизм реакции. Чаще всего исследователи предполагали термический механизм: лазер нагревает материал, и в результате под действием температуры при достижении некоего порога связи кислород-углерод рвутся. Однако была и другая возможность: прямое фотохимическое разложение этих связей. Возможна была и комбинация механизмов.

Исследователи из Томска с коллегами из Горного университета Леобена (Австрия), Северо-западного политехнического университета (Китай) и Сычуаньского университета (Китай) предложили изящный эксперимент: нанесенный на стеклянную подложку оксид графена в течение минуты восстанавливали лазерами трех длин волн: 405 нанометров (синий), 532 нанометра (зеленый) и 633 нанометра (красно-оранжевый) на разных мощностях – от 10 микроватт до 2,35 милливатта. В экспериментах авторы обнаружили неожиданный факт: после начала облучения оксид графена какое-то время светился красным светом. Сам факт фотолюминесценции – еще не неожиданность, но интенсивность фотолюминесценции графена не коррелировала со степенью нагрева. Так, под действием красно-оранжевого лазера материал нагревался в 5,75 раз сильнее, чем под действием синего, тогда как свечение, сопровождающее восстановление, в обоих образцах было одинаковым. Это могло означать только одно: главный механизм реакции – разрыв связей кислород-углерод в результате прямого действия лазерного излучения, который происходит еще до нагрева материала выше порогового уровня.

Ученые обнаружили и еще один интересный момент: обработанные участки оксида графена при повторном анализе уже не люминесцируют красным светом. А это значит, что лазерное восстановление оксида графена можно использовать для оптической записи информации, при этом – высокой плотности. Достаточно лазером нанести на оксид графена определенный узор-двоичный код. При этом, поскольку при определенных мощностях лазера участки восстановленного оксида графена никак визуально не отличаются от необлученного, можно использовать открытый эффект для того, чтобы наносить маркеры подлинности или другую информацию на предметы.

«Элегантность нашей стратегии заключается в ее тонкости — тщательно выбирая мощность лазера, мы можем записывать данные на пленке оксида графена, которые не видны даже под оптическим микроскопом. Этот подход открывает интересные перспективы для технологий хранения данных с оптической записью и считыванием», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгения Шеремет, PhD, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета.