اهداف جلسه: 
·سنتز شیمیایی گرافن اکسید

 وسایل مورد نیاز: 
·دسترسی به اینترنت
· 1 گرم پودر گرافیت
·50 سی سی اسید سولفوریک
·2 گرم پتاسیم پر منگنات
·حمام آب یخ
· دماسنج
· آب مقطر
·10 سی سی هیدروژن پر اکسید
·ارلن 250 سی سی
·بشر 100 و 250 سی سی
·همزن

 مقدمه
در سال‌های اخیر تحقیقات زیادی برای توسعه‌ی روش‌های تولید گرافن صورت گرفته است. ویژگی‌های برجسته‌ی گرافن که تاکنون گزارش شده‌اند عبارتند از: مدول یانگ بالا (حدود 1100 گیگا پاسکال)، مقاومت بالا در برابر شکست (125 گیگاپاسکال)، رسانایی حرارتی خوب، تحرک‌پذیری بالای حاملان بار یا به عبارت دیگر رسانایی الکتریکی عالی، مساحت سطحی ویژه بالا و پدیده‌های انتقالی شگفت انگیزی همچون اثر کوانتومی هال.
 کاربردهای اکسید گرافناکسید گرافن اکسیر نانوفناورانه برای تولید منسوجات هوشمندتر توسط محققان در استرالیا و ایرلند، نوعی نخ محکم و انعطاف‌پذیر از اکسید گرافن با خواص الکتریکی کاربردی ساخته‌شده است. این نخ در میان الیاف دارای بنیان گرافن، از بیشترین ظرفیت الکتریکی برخوردار است. محققان بر این باورند که از این نخ‌ها می‌توان در تولید منسوجات هوشمند استفاده کرد.
منسوجات هوشمند به دسته‌ای از منسوجات دارای اجزای الکترونیکی مانند صفحه‌نمایش، حس‌گرها و تحریک شونده‌ها گفته می‌شود. باوجود آنکه این منسوجات در مراحل اولیه تولید هستند، اما طیف وسیعی از کاربردها دارند؛ از لباس‌هایی که شرایط محیطی را ازنظر خطر مواد شیمیایی برای فرد ایمن می‌کند تا مبل‌هایی که به سطوح مختلف نوری و تغییرات دمایی واکنش نشان داده و ظاهر متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

علاوه بر استحکام، انعطاف‌پذیری و وزن کم، نخ‌هایی که در منسوجات هوشمند مورداستفاده قرار می‌گیرند باید دارای خواص الکتریکی خوبی باشند. مواد با ظرفیت الکتریکی بالا بسیار مفید هستند چون به کمک آن‌ها می‌توان ابر خازن‌هایی ساخت که انرژی الکتریکی را به‌خوبی در داخل پارچه ذخیره می‌کنند. اگرچه محققان با تولید و توسعه نخ‌های ساخته‌شده از گرافن و نانو الیاف کربن، پیشرفت قابل‌توجهی در این زمینه داشته‌اند، اما اکثر این الیاف باحالت ایده آل فاصله‌دارند. بعنوان مثال، بهترین مقدار ظرفیت الکتریکی گزارش‌شده در این منسوجات حدود ۲۵۶ F/g  است، درحالی‌که این مقدار از نصف بیشترین ظرفیتی که برای الیاف با پایه گرافنی انتظار می رود، کمتر است.

خازن های الکتروشیمیایی بی‌رقیب از اکسید گرافن
در حال حاضر،پروفسور گوردون والاس از دانشگاه ولونگونگ در استرالیا و همکارانش نخ و الیافی از اکسید گرافن تهیه‌کرده‌اند که علاوه بر انعطاف‌پذیری بالا و وزن کم، دارای ظرفیت الکتروشیمیایی بسیار بالایی تا سقف ۴۱۰ F/g است.
سید حامد ابوطالبی از اعضای گروه تحقیقاتی  در این زمینه است. تا به امروز، تولید خازن‌های گرافنی سه‌بعدی محدود به ورقه های گرافنی و میکرو-ابر خازن‌ها بود که تولید منسوجات هوشمند با استفاده از این خازن‌ها امکان‌پذیر نیست.
محققان برای ساخت این نخ‌ها از روش تر‌ریسی استفاده کرده‌اند. در این روش امکان تولید نخ‌های گرافنی بدون محدودیت طولی، تخلخل زیاد و درعین‌حال با چگالی بالا، محکم و انعطاف‌پذیر از بلور‌های مایع ساخته‌شده از صفحات بسیار بزرگ اکسید گرافن، وجود دارد. اکسید گرافن، یک صفحه نازک کربنی باضخامتی به‌اندازه یک اتم است که سطح آن با گروه‌های هیدروکسیل پوشانده شده است.

شبکه نانونساجی- ریسندگی الیاف اکسید گرافن
تا به امروز، تولید خازن‌های گرافنی سه‌بعدی محدود به ورق‌های گرافنی و میکرو-ابر خازن‌ها بود که تولید منسوجات هوشمند با استفاده از این خازن‌ها امکان‌پذیر نیست.محققان برای ساخت این نخ‌ها از یک روش تر‌ریسی استفاده کرده‌اند. در این روش امکان تولید نخ‌های گرافنی بدون محدودیت طولی، تخلخل زیاد و درعین‌حال با چگالی بالا، محکم و انعطاف‌پذیر از بلور‌های مایع ساخته‌شده از صفحات بسیار بزرگ اکسید گرافن، وجود دارد. اکسید گرافن، یک صفحه نازک کربنی باضخامتی به‌اندازه یک اتم است که سطح آن با گروه‌های هیدروکسیل پوشانده شده است.شبکه نانو نساجی- ریسندگی الیاف اکسید گرافننخ اکسید گرافن قطعه سازنده‌ی ابر خازن
محققان بر این باورند که از این نخ‌‌ها، می‌توان به‌عنوان قطعه سازنده‌ی ابر خازن‌ها، در کاربردهای مختلف منسوجات هوشمند استفاده کرد. نخ‌هایی که دارای مدول یانگ بزرگ‌تر از ۲۹ GP هستند از استحکام بالایی نظیر برخی الیاف طبیعی مانند کنف برخوردارند. همچنین این نخ‌ها دارای هدایت الکتریکی بالا حدود S/m 2500 و سطح مقطع بزرگ به‌اندازه m2/g 2600 برای اکسید گرافن و ۲۲۱۰ m2/g برای اکسید گرافن احیاشده هستند. در یک ساختار دو الکترودی معین، به ازای هر الکترود اکسید گرافن ظرفیت ۴۱۰ F/g قابل‌دسترسی است. ابوطالبی علت این ظرفیت‌های الکتریکی بالا را یون‌هایی می داند که با سرعت‌ بالا و بدون مقاومت در داخل الیاف حرکت می‌کنند.
نخ‌ها باید برای نسل بعدی سامانه‌های چندمنظوره با قابلیت های ذخیره انرژی، قابل پوشیدن بودن و تجدید پذیری، ایده آل باشند. او می‌گوید: روش ما برای ساخت این نخ‌ها ساده است و می ­تواند شاخصی برای تولید انبوه این نوع ساختار باشد.
این گروه از محققان در دانشگاه شهر دوبلین و دانشگاه سیدنی همچنان در حال تحقیق بر روی ساخت هیبریدهایی با پایه گرافنی هستند که می‌توان از آن‌ها برای ساخت منسوجات هوشمند استفاده نمود.

روش کار
1. ابتدا 5/0 گرم پودر گرافیت را به آرامی به 50 میلی لیتر از محلول اسیدسولفوریک بعلاوه ی 2 گرم پتاسیم پرمنگنات که در داخل حمام یخ قرار دارد اضافه کنید.
2.  به مدت 2 ساعت در دمای زیر 10 درجه سانتی‌گراد و در ادامه بمدت 1 ساعت در دمای 35 درجه بهم بزنید.
3. سپس 50 میلی لیتر آب مقطر به آن اضافه کرده و دوباره بمدت 1 ساعت دیگر در دمای اتاق هم بزنید. 
4. در نهایت 10 میلی لیتر هیدروژن پراکساید به آن اضافه کرده که در این مرحله رنگ محلول زرد می­شود.
5.  بعد از این مرحله اکسید گرافن بدست آمده را با آب مقطر شسته و در دمای اتاق خشک کنید.
سوالات
1. وزن گرافن اکسید به دست آمده با پودر گرافیت چه تفاوتی دارد؟
2. برای تبدیل اکسید گرافن به گرافن از چه ماده ای باید استفاده کرد.
 
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل- تنظیم: محبوبه همت
اکسید گرافن