thumb|Estructura propuesta en 1998He, H.; Klinowski, J.; Forster, M.; Lerf, A. (1998). "A new structural model for graphite oxide". Chemical Physics Letters 287: 53. con grupos funcionales. A: Puentes epóxido, B: Grupos hidroxilo, C:Grupos carboxilo emparejados. thumb|Fórmula Decany thumb|Fórmula Nakajima-Matsuo thumb|Fórmula de Ruess thumb|Fórmula Scholtz-Boehm thumb|Una hoja de grafeno. Se pueden apreciar varios grupos funcionales oxigenados. La cantidad de grupos funcionales depende del método de síntesis (Estructura de Lerf-Klinovskij) thumb|Modelo estructural de Hoffman
El óxido de grafito, formalmente llamado óxido grafítico o ácido grafítico, es un compuesto de carbono, oxígeno e hidrógeno en proporciones variables, obtenido tras el tratamiento de grafito con un oxidante fuerte. El producto con mayor grado de oxidación es un sólido amarillo con una proporción C:O de entre 2.1 y 2.9 que mantiene la estructura en capas del grafito pero con un espacio entre capas mucho más grande e irregular.Hummers, W. S.; Offeman, R. E. (1958). "Preparation of Graphitic Oxide". Journal of the American Chemical Society 80 (6): 1339 El óxido de grafito en medio básico se dispersa en forma de hojitas monomoleculares conocidas como óxido de grafeno, por analogía con el grafeno, que es una única capa de grafito.Dreyer, D. R.; Park, S.; Bielawski, C. W.; Ruoff, R. S. (2010). "The chemistry of graphene oxide". Chemical Society Reviews 39 (1): 228–240. El óxido de grafeno en forma de láminas se ha empleado para fabricar un material muy resistente y que recientemente ha atraído la atención como una posible fuente de obtención de grafeno. Sin embargo, este método, cuyos primeros resultados se alcanzaron en 2012, proporciona grafeno con una estructura muy defectuosa.
Historia y obtención El óxido de grafito lo sintetizó por primera vez el químico Benjamin C. Brodie en Oxford, en 1859, tratando grafito con una mezcla de clorato de potasio y ácido nítrico fumante.Brodie, B. C. (1859). "On the Atomic Weight of Graphite". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 149: 249. En 1957, William S. Hummers y Richard E. Offeman desarrollaron un método más seguro, rápido y eficiente usando una mezcla de ácido sulfúrico H2SO4, nitrato de sodio NaNO3 y permanganato potásico KMnO4, que se sigue usando ampliamente, a menudo con modificaciones.Hummers, W. S.; Offeman, R. E. (1958). "Preparation of Graphitic Oxide". Journal of the American Chemical Society 80 (6): 1339.Marcano, D. C.; Kosynkin, D. V.; Berlin, J. M.; Sinitskii, A.; Sun, Z.; Slesarev, A.; Alemany, L. B.; Lu, W.; Tour, J. M. (2010). "Improved Synthesis of Graphene Oxide". ACS Nano 4 (8): 4806–4814.
Cabe destacar que los óxidos de grafito tienen propiedades físicas y químicas distintas, dependiendo del grado de oxidación del grafito y el método de obtención. Por ejemplo, la temperatura de exfoliacion explosiva es en general más alta para el grafito obtenido mediante el método de Brodie, en comparación con el que se prepara según el método de Hummers. La diferencia llega a ser de 100 grados con el mismo calentamiento.Boehm, H. -P.; Scholz, W. (1965). "Der ?Verpuffungspunkt? Des Graphitoxids". Zeitschrift f�r anorganische und allgemeine Chemie 335: 74. Las propiedades de hidratación y solvatación de los óxidos de grafito de Brodie y Hummers también son muy distintas.You, S.; Luzan, S. M.; Szabó, T. S.; Talyzin, A. V. (2013). "Effect of synthesis method on solvation and exfoliation of graphite oxide". Carbon 52: 171.
Recientemente, una mezcla de H2SO4 y KMnO4 ha sido usada para abrir nanotubos de carbono a lo largo, dando lugar a cintas planas de grafeno de varios átomos de ancho, con los bordes cerrados con átomos de oxígeno(=O) o grupos hidroxilo (-OH).Kosynkin, D. V.; Higginbotham, A. L.; Sinitskii, A.; Lomeda, J. R.; Dimiev, A.; Price, B. K.; Tour, J. M. (2009). "Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons". Nature 458 (7240): 872–876. El óxido de grafeno también se puede preparar por el método de "Tan-Lau" en el que se utiliza glucosa. Este método es más seguro, simple y ecológico en comparación con las reacciones tradicionales en las que se usan oxidantes fuertes. Otra gran ventaja del método Tan-Lau es la posibilidad de controlar fácilmente el grosor de las láminas del producto. y se vuelve amarillo
Estructura Aunque la estructura y propiedades del óxido de grafito dependen del método de obtención y el grado de oxidación. Normalmente se conserva la estructura de las capas de la materia prima, pero las láminas están separadas entre sí por el doble de distancia. (~0.7 nm) que en el grafito. Estrictamente hablando, "óxido" es un nombre incorrecto pero históricamente asentado. Además de grupos de oxígeno epóxido (átomos puente de oxígeno), se han hallado experimentalmente los siguientes grupos funcionales: carbonilo (=CO), hidroxilo (-OH), fenol y grupos organosulfurados enlazados por ambos ladosPandey, D.; Reifenberger, R.; Piner, R. (2008). "Scanning probe microscopy study of exfoliated oxidized graphene sheets". Surface Science 602 (9): 1607.Eigler, S.; Dotzer, C.; Hof, F.; Bauer, W.; Hirsch, A. (2013). "Sulfur Species in Graphene Oxide". Chemistry - A European Journal 19 (29): 9490. El óxido de grafito es muy hidrofílico y es fácilmente hidratable si se expone a vapor de agua o se sumerge en agua, conduciendo a un aumento de la distancia interlaminar (hasta 1.2 nm en estado saturado). El estado de hidratación máximo del óxido de grafito en agua líquida corresponde a 3 capas de agua entre capas sucesivas de grafeno, el enfriamiento de muestras de óxido de grafito hidratado da lugar a una expansión térmica pseudonegativa.You, S.; Luzan, S. M.; Szabó, T. S.; Talyzin, A. V. (2013). "Effect of synthesis method on solvation and exfoliation of graphite oxide". Carbon 52: 171. La eliminación completa del agua del óxido de grafito es muy complicada debido a que se produce una descomposición y degradación parcial entre 60 y 80 °C.
Al igual que el agua, el óxido de grafito puede también incorporar fácilmente otros disolventes polares como los alcoholes.Sin embargo, la intercalación ocurre de forma distinta en los óxido de grafito obtenidos por el proceso de Brodie o de Hummers. En el caso del óxido de grafito de Brodie una capa de alcohol u otros disolventes polares se intercalan entre dos capas de óxido. (por ejemplo, la dimetilformamida y la acetona) cuando el disolvente líquido está disponible en exceso. La separación entre las capas de grafeno es proporcional al tamaño de la molécula del alcohol.Talyzin, A. V.; Sundqvist, B.; Szabó, T. S.; DéKáNy, I.; Dmitriev, V. (2009). "Pressure-Induced Insertion of Liquid Alcohols into Graphite Oxide Structure". Journal of the American Chemical Society 131 (51): 18445–18449.
El óxido de grafito de Hummers puede ser intercalado por dos capas de metanol o etanol a temperatura ambiente. La distancia entre capas en un medio con exceso de metanol o etanol aumenta con el descenso de la temperatura, alcanzando 19.4 y 20.6 Å a 140 K para el metanol y el etanol, respectivamente. La expansión gradual del óxido de grafito de Hummers corresponde a la inserción de al menos otras dos capas de disolvente.You, S.; Sundqvist, B.; Talyzin, A. V. (2013). "Enormous Lattice Expansion of Hummers Graphite Oxide in Alcohols at Low Temperatures". ACS Nano 7 (2): 1395–1399.
El óxido de grafito descompone rápidamente cuando se calienta a temperaturas moderadamente altas (~280–300 °C) formando carbono amorfo, parecido al carbón activado.Talyzin, A. V.; Szabó, T. S.; DéKáNy, I.; Langenhorst, F.; Sokolov, P. S.; Solozhenko, V. L. (2009). "Nanocarbons by High-Temperature Decomposition of Graphite Oxide at Various Pressures". The Journal of Physical Chemistry C 113 (26): 11279.
thumb|300px|Exfoliación del óxido de grafito a altas temperaturas.
Usos Papel superresistente Al disolver el óxido de grafito en agua, este se separa en láminas de grafeno. La disolución obtenida se filtra con la ayuda de una membrana especial en la que las capas de grafeno se vuelven juntar en una estructura más resistente que en el grafito. Las capas del grafito normal suelen estar débilmente unidas, pero en el papel de grafeno las capas se entrelazan entre sí lo que permite distribuir los esfuerzos por igual por toda la estructura, haciéndola más resistente. La forma en la que se entrelazan las distintas capas de grafeno permite un ligero movimiento de éstas haciendo que el material sea flexible. Lo que es más importante, se puede manipular químicamente las propiedades de este tipo de papel. Reduciendo la cantidad de átomos de oxígeno en las capas, se puede incrementar la conductividad eléctrica.
Investigación del ADN La gran superficie plana del óxido de grafito permite investigar al mismo tiempo varias sondas de hibridación marcadas con distintos colorantes haciendo posible el hallazgo de varios objetivos de ADN en la misma disolución.La investigación futura puede dar como resultado un nuevo método de análisis de ADN más rápido y barato.
Purificación del agua Uno de los usos sugeridos del óxido de grafito es la eliminación del agua de contaminantes indeseables.Gao, W.; Majumder, M.; Alemany, L. B.; Narayanan, T. N.; Ibarra, M. A.; Pradhan, B. K.; Ajayan, P. M. (2011). "Engineered Graphite Oxide Materials for Application in Water Purification". ACS Applied Materials & Interfaces 3 (6): 1821 El óxido de grafito de Brodie ha demostrado absorber selectivamente el metanol de mezclas metanol/agua en cierto rango de concentraciones de metanol.You, S.; Yu, J.; Sundqvist, B.; Belyaeva, L. A.; Avramenko, N. V.; Korobov, M. V.; Talyzin, A. V. (2013). "Selective Intercalation of Graphite Oxide by Methanol in Water/Methanol Mixtures". The Journal of Physical Chemistry C 117 (4): 1963.
Reducción de grafeno
Desde la perspectiva de la ciencia de materiales, el grafeno ofrece el atractivo de poseer excelentes propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ópticas, que le convierten en candidato ideal para aplicaciones en áreas tan diversas como la nanoelectrónica, los sensores moleculares, los materiales compuestos, el almacenamiento de energía o la liberación controlada de fármacos. La conductividad eléctrica se puede recuperar mediante la restauración de enlaces de carbono sp2 por lo que es muy importante la reducción del GO39.Contreras, J. G. (julio de 2015). Síntesis de óxido de grafeno como plataforma nanoscópica para materiales funcionales . Tamaulipas, Altamira, México . El óxido de grafeno, en particular es un precursor prometedor para la producción a granel de materiales basados en grafeno. Una de las ventajas es que se puede sintetizar en grandes cantidades a partir del polvo de grafito, el cual es de bajo costo por lo que es atractivo para aplicaciones industriales.Guzman, A. C. (septiembre de 2011). Obtención del grafeno mediante la reducción química del oxido de grafito. D.F, D.F, México
Reducción química Los métodos de reducción química más habituales son aquellos que emplean agentes químicos. Entre ellos, el más habitual es el monohidrato de hidracina (N2 H4 H2O) que ya se empleaban para reducir el óxido de grafito antes de que fuera aislado el grafeno. La toxicidad de este compuesto hace que sea inapropiado para la síntesis de RGO en grandes cantidades, por ello se han buscado otros agentes reductores para sustituirlo. Entre ellos están los híbridos metálicos como el borohidrudo de sodio (NaBH4) que es más eficaz que la hidracina con los grupos carbonilo, pero su eficacia es baja con los grupos epoxi y los carboxílicos y es incapaz de eliminar los grupos alcohol.Athanasios B. Bourlinos, †. D. (May de 2003). Graphite Oxide: Chemical Reduction to Graphite. Institute of Materials Science, Greece