日本信州大學先銳材料研究所的金子克美特別特任教授、大塚隼人特任助教等人組成的研究團隊發表研究成果稱，開發出一種透過吸收光譜法輕鬆判斷出不穩定的氧化石墨烯（Graphene oxide，以下簡稱GO）狀態的方法。利用這種方法，有望根據吸收光譜的位置判斷材料的電導性、磁性以及結構等性質，從而選擇並使用最適合的GO以滿足不同的應用需求。相關研究成果已於2月24日發表在國際學術期刊《Nature Communications》上。
圖 在25℃～75℃溫度範圍内，GO膠體溶液隨時間推移發生的變化（供圖：信州大學）
透過還原GO製備的石墨烯是一種廣泛應用於儲能、電子器件等諸多尖端產業的先進材料，但隨着時間的推移，GO的狀態會發生變化，因此使用上還存在一些課題。
GO是透過石墨氧化製備而成的，以水溶液中分散的膠體顆粒形式存在。儘管石墨是漆黑有光澤的，但是製備後的GO膠體溶液最初呈明亮的黃褐色，隨着時間推移會逐漸變黑。一般而言，化學狀態的變化隨着溫度升高而加快。研究人員在室溫下對25℃和75℃下GO的變化進行調查後發現，25℃時需要較長時間才能觀察到的變化，在75℃時可以在較短時間内捕捉到。
爲了定量捕捉這種顏色變化，研究團隊測量了成熟GO在不同時長（0～168小時）的吸收光譜。結果發現，光譜吸收最強處顯示了GO二維化學鍵態來源的框架結構資訊。25℃時，表示結構變化的峯位置幾乎不變，而在75℃時不僅峰值位置發生變化，其形狀也發生了變化。
爲此，研究人員透過假定結構變化不隨溫度而變，而是都會呈現相同變化，修正了這種外觀上的差異。並將不依賴於溫度到達的共同峰值位置的時間除以實際時間得到的換算時間導入了吸收光譜圖。
結果顯示，不同溫度下的實驗數據大致位於同一條曲線上，這表明GO的變化本質上是相同的。
透過對GO狀態變化的調查，研究人員發現初期的氧化石墨烯會先後經歷本徵態氧化石墨烯（iGO）、亞穩定態氧化石墨烯（mGO）、轉化爲還原形式之前的暫態氧化石墨烯（tGO）這三種狀態。
此外，除了吸收光譜之外，iGO、mGO和tGO的磁性、電阻等性質也各不相同。
金子特別特任教授表示：「儘管多地已經發表了許多研究論文，但迄今爲止尚未提供有關不穩定的氧化石墨烯處於哪種狀態的資訊。使用我們研究出的吸收光譜法，可以幫助研究人員和技術人員明確他們處理的氧化石墨烯處於哪種狀態，對推動氧化石墨烯的社會應用和技術水平的進一步隊形變換發揮積極作用。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Transient Chemical and Structural Changes in Graphene Oxide during Ripening
DOI：doi.org/10.1038/s41467-024-46083-4
