„Countercation Engineering“ für thermoresponsive Graphenoxid-Nanoblätter

Zweidimensionale Materialien auf Graphenbasis sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen strukturellen, mechanischen, elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften in jüngster Zeit in den Fokus wissenschaftlicher Forschung gerückt. Unter ihnen sind Nanoblätter auf Basis von Graphenoxid (GO), einem oxidierten Derivat von Graphen, mit ultradünnen und extrabreiten Abmessungen und sauerstoffreichen Oberflächen vielversprechend.

Funktionelle Gruppen, die Sauerstoff enthalten, wie Carboxy- und saure Hydroxygruppen, erzeugen dichte negative Ladungen, wodurch GO-Nanoblätter in Wasser kolloidal stabil werden. Dadurch sind sie wertvolle Bausteine ​​für funktionale Weichmaterialien der nächsten Generation.

Insbesondere thermoresponsive GO-Nanoblätter haben aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungen große Aufmerksamkeit erregt, von intelligenten Membranen und Oberflächen über recycelbare Systeme bis hin zu Hydrogel-Aktuatoren und biomedizinischen Plattformen. Die vorherrschenden Synthesestrategien zur Erzeugung thermoresponsiver Verhaltensweisen erfordern jedoch die Modifizierung von GO-Nanoblattoberflächen mit thermoresponsiven Polymeren wie Poly (N-Isopropylacrylamid). Dieser Prozess ist komplex und weist potenzielle Einschränkungen bei nachfolgenden Funktionalisierungsbemühungen auf.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher unter der Leitung von Assistenzprofessor Koki Sano und Herrn Shoma Kondo von der Abteilung für Chemie und Materialien der Shinshu-Universität in Japan kürzlich einen innovativen Ansatz namens „Countercation Engineering“ vorgestellt, um den GO-Nanoblättern selbst die gewünschte thermoresponsive Fähigkeit zu verleihen . Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen.

Dr. Sano erklärt: „Diese Studie stellt einen vereinfachten und effizienten Weg zur Erzielung einer Thermoreaktivität vor, indem Gegenkationen (positiv geladene Ionen) genutzt werden, die in GO-Nanoblättern inhärent vorhanden sind. Die Kontrolle über diese Gegenkationen bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für die Entwicklung stimuliresponsiver Nanomaterialien.“

In ihrer Studie erstellten die Forscher ein robustes Syntheseprotokoll, das eine zweistufige Reaktion in Wasser umfasst, um GO-Nanoblätter mit spezifischen Gegenkationen zu synthetisieren. Durch eine Austauschreaktion wurden zunächst die Gegenkationen der Carboxy- und sauren Hydroxygruppen durch Protonen ersetzt. Darauf folgte eine Säure-Base-Reaktion unter Verwendung eines Hydroxidanions mit den gewünschten Gegenanionen, was zu den gewünschten GO-Nanoblättern führte.

Systematische Untersuchungen ihres thermoresponsiven Verhaltens ergaben, dass GO-Nanoblätter, die Tetrabutylammonium (Bu4N+)-Gegenkationen enthalten, in wässrigen Umgebungen eine inhärente thermoresponsive Natur aufweisen, ohne dass thermoresponsive Polymere erforderlich sind.

Darüber hinaus demonstrierten die Forscher einen reversiblen Sol-Gel-Übergang, der durch Selbstorganisations- und -zerlegungsprozesse gekennzeichnet ist. Beim Erhitzen fügten sich die lamellaren Bu4N+-basierten GO-Nanoblätter mit elektrostatischer Abstoßung (Sol-Zustand) zwischen ihnen wieder zusammen und bildeten ein miteinander verbundenes Netzwerk, das stattdessen durch Van-der-Waals-Anziehung (Gel-Zustand) dominiert wird.

Dieser bemerkenswerte Übergang könne tatsächlich genutzt werden, um eine Direktschreibtinte zum Aufbau dreidimensional gestaltbarer Gelarchitekturen der GO-Nanoblätter zu entwickeln, betonten die Forscher.

Insgesamt haben die Ergebnisse der Studie weitreichende Auswirkungen. „Die kontrollierte Synthese von GO-Nanoblättern mit maßgeschneiderten Gegenkationen hat einen Weg zu vielseitigen und vereinfachten thermoresponsiven Materialien eröffnet. Die thermoresponsiven GO-Nanoblätter sind vielversprechende Bausteine ​​für biomedizinische, Energie- und Umweltanwendungen, wie intelligente Membranen, weiche Robotik und recycelbare Systeme.“ Hydrogel-Aktuatoren und biomedizinische Lösungen“, sagt Dr. Sano.

„Darüber hinaus bietet die Möglichkeit, direkt mit GO-Nanoblattdispersionen zu schreiben, eine neue Dimension des Materialdesigns und ermöglicht die einfache Konstruktion komplizierter Gelstrukturen“, schließt er.