Παράγωγα του φθορογραφενίου και μελέτη των οπτικών τους ιδιοτήτων
Authors: Μουσελίμης Βασίλειος 
Published: September 2021

Το φθορογραφένιο [(C1F1)n] είναι σημαντικό ενδιάμεσο της χημείας του γραφενίου και χρησιμοποιείται για ελεγχόμενη σύνθεση ευρέος φάσματος γραφενικών υλικών. Η τροποποίηση του φθορογραφενίου λαμβάνει χώρα με χρήση κατάλληλου πυρηνόφιλου τροποποιητή Χ δίνοντας παράγωγα με κοινά δομικά χαρακτηριστικά: δημιουργία στο υπόστρωμα περιοχών sp2 υβριδισμού και περιοχές sp3 υβριδισμού που διακατέχονται από προσδεμένους τροποποιητές (C ̶ X) και εναπομείναντα άτομα φθορίου (C ̶ F). Παρά τα κοινά δομικά χαρακτηριστικά, η επιλογή του τροποποιητή επιφέρει διαφορετικές ηλεκτρονιακές - οπτικές ιδιότητες στα νέα φθοροπαράγωγα.Η τροποποίηση με πρωτοταγείς αλκυλαμίνες ανέδειξε υλικά με δομικές συσχετίσεις με ορισμένες οργανικές χρωστικές λέιζερ (π.χ. κουμαρίνη 151), που επέδειξαν φθορισμό στο ορατό φάσμα. Συγκεκριμένα, η αντίδραση με δωδεκυλαμίνη ή με τη μερικώς πρωτονιωμένη 1,6-εξαμεθυλενοδιαμίνη είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία οργανόφιλων και υδρόφιλων παραγώγων που εμφάνισαν φθορισμό στην κόκκινη ή στη γαλαζοπράσινη περιοχή του ορατού φάσματος, αντίστοιχα, αποτέλεσμα που πιστοποιήθηκε θεωρητικά με υπολογισμούς που βασίζονται στη θεωρία συναρτησιακού της πυκνότητας (DFT). Οι μετρήσεις κυτταροτοξικότητας σε κύτταρα NIH / 3T3 και HeLa κατέδειξαν υψηλή βιοσυμβατότητα για το υδρόφιλο παράγωγο. Λόγω του εγγενούς φθορισμού, η ποσοτικοποίηση της πρόσληψης από τα κύτταρα και ο εντοπισμός των γραφενικών φυλλιδίων στον ενδοκυττάριο χώρο μπορεί να πραγματοποιηθεί απευθείας χρησιμοποιώντας τεχνική κυτταρομετρίας ροής και απεικόνιση μικροσκοπίας φθορισμού. Αυτά τα ευρήματα ανοίγουν το δρόμο για την ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας φθοριζόντων υλικών για εφαρμογές σε τομείς όπως η βιοανίχνευση, η βιοϊατρική και η βιοαπεικόνιση ή ως 2D υλικά σε τεχνολογίες λέιζερ. Αντίθετα, η τροποποίηση του φθορογραφενίου με υδρογόνο επέφερε τη σύνθεση υλικού που εμφάνισε σημαντικές μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες τρίτης τάξης (NLO). Η παρουσία του υδρογόνου στο υδρογονωμένο φθορογραφένιο επιβεβαιώθηκε κυρίως με χρήση φασματοσκοπίας υπέρυθρης ακτινοβολίας (IR-ATR) και με θερμική βαρυμετρική ανάλυση (TGA) σε συνδυασμό με ανίχνευση των εκλυόμενων αερίων σε φασματογράφο μάζας (EGA-QMS). Οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες (NLO) του παραγώγου σε ακετόνη μελετήθηκαν σε ορατή (532 nm) και υπέρυθρη ακτινοβολία (1064 nm) χρησιμοποιώντας διέγερση λέιζερ 35 ps και 4ns, και συγκρίθηκαν με εκείνες του γραφενίου, οξειδίου του γραφενίου και φθορογραφενίου. Το υδρογονωμένο φθορογραφένιο (CFH) επέδειξε μεγαλύτερη τιμή μη γραμμικής επιδεκτικότητας τρίτης τάξης │χ│(3) σε όλες τις περιπτώσεις. Ειδικά στην ορατή διέγερση στα 35 ps το CFH παρουσίασε μη γραμμική απόκριση μεγαλύτερη κατά μια τάξη μεγέθους από αυτή του γραφενίου, ενώ κατά τη διέγερση υπερύθρων στα 4 ns η μη γραμμική επιδεκτικότητα │χ│(3) σημείωσε δραματική αύξηση (3 • 10-9 esu) κατά 1 έως 2 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τις τιμές που εμφανίζει οποιοδήποτε νανοϋλικό άνθρακα (10-13 ̶ 10-11 esu). Οι τιμές αυτές καθιστούν το υδρογονωμένο φθορογραφένιο κατάλληλο για εφαρμογές laser (οπτικός περιοριστής και προστασία λέιζερ, οπτικός διακόπτης κ.λπ.). Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν τη σημασία της φύσης της λειτουργικής ομάδας και του βαθμού τροποποίησης (υδρογόνωσης και φθορίωσης) στις μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες των γραφενικών υλικών. Είναι πιθανόν η παρουσία των περιοχών τύπου: δότη ηλεκτρονίων - π γέφυρας - δέκτη ηλεκτρονίων που δημιουργούνται μέσα στο γραφενικό υπόστρωμα (C - H, π-bridge, C - F), να καταλήγουν σε τέτοιες μεγάλες τιμές μη γραμμικής επιδεκτικότητας τρίτης τάξης, ανοίγοντας έτσι το δρόμο για την εκλογικευμένη σχεδίαση νέων παραγώγων του γραφενίου με ακόμη μεγαλύτερη μη γραμμική οπτική απόκριση.