Graphen-Nanostrukturen mit zickzackförmigen Kanten sind dank ihrer hervorragenden elektronischen und magnetischen Eigenschaften technologisch vielversprechend. Leider bauen sich die hochreaktiven Kanten dieser sogenannten Graphen-Nanobänder (GNRs) schnell ab, wenn sie Luft ausgesetzt werden, was ihre praktischen Anwendungen einschränkt. Ein Team in Spanien und Tschechien hat nun zwei neue Strategien entwickelt, um sie zu schützen. Diese Strategien könnten auch auf andere Arten von technologisch wichtigen kohlenstoffbasierten Nanostrukturen ausgedehnt werden.
Das Besondere an GNRS ist, dass das Verhalten ihrer Elektronen von metallähnlich auf halbleitend eingestellt werden kann, indem man einfach die Länge oder Breite der Bänder anpasst, die Struktur ihrer Kanten verändert oder sie mit Nicht-Kohlenstoffatomen dotiert. Mit diesen Techniken können die Materialien auch magnetisch gemacht werden. Die Vielseitigkeit von GNRs macht sie zu vielversprechenden Bausteinen für zahlreiche Anwendungen, einschließlich Quantentechnologien.
Das Problem besteht darin, dass die außergewöhnlichen Eigenschaften von GNRs auf dem Vorhandensein zickzackförmiger Segmente entlang ihrer Kanten beruhen und diese Segmente (im Gegensatz zu sesselförmigen Kanten) an der Luft instabil sind. Das bedeutet, dass GNRs im Vakuum gehalten werden müssen, was ihren Einsatz in realen Anwendungen erschwert.
sp3 Konfiguration erhöht die Luftstabilität
An der neuen Arbeit arbeiten drei Forschungsgruppen – geleitet von Dimas G de Oteyza dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Forschungszentrum für Nanomaterialien und Nanotechnologie (CINN) in El Entrego, Spanien; Diego Pena für CiQUS, Universidade de Santiago de Compostelaeschriebenen Art und Weise; und Pawel Jelinek im Institut für Physik, Tschechische Akademie der Wissenschaften – untersuchten schmale Streifen aus Graphen-Nanobändern mit einer großen Dichte an zickzackförmigen Kanten. Sie fanden heraus, dass sich die Kohlenstoffatome in den Nanostrukturen bei der Hydrierung zu einem sp rehybridisieren3 Konfiguration, die ihre Luftstabilität erhöht. Durch einfaches Erhitzen können die Strukturen wieder in ihren ursprünglichen Zustand versetzt werden. Alternativ fanden die Forscher heraus, dass sie die Nanostrukturen stabilisieren konnten, indem sie sie mit Keton-Seitengruppen funktionalisierten. Diese oxidierte Form des Materials ist auch gegenüber einer Vielzahl anderer Chemikalien stabil und kann durch Hydrierung und Glühen unter Vakuumbedingungen wieder in die ursprüngliche Form zurückverwandelt werden. In beiden Fällen behalten die geschützten GNRs die elektronischen Eigenschaften der ursprünglichen Nanostrukturen.
„Unsere Schutzstrategien ermöglichen es uns, diese Moleküle aus der inerten Vakuumumgebung zu entfernen, ohne sie zu zersetzen“, sagt Oteyza Physik-Welt. „Diese Techniken können auf verschiedene GNRs und kohlenstoffbasierte Nanostrukturen sowie auf verschiedene funktionelle Gruppen extrapoliert werden, wodurch diese Zickzackkanten-Kohlenstoffmaterialien in skalierbaren realen Anwendungen verwendet werden können.“
Gequetschte Kohlenstoffnanoröhren ergeben glatte Nanobänder
Bevor dies jedoch möglich wird, räumen Oteyza und seine Kollegen ein, dass noch einige Herausforderungen zu bewältigen sind. „Zum einen erfordern die ‚Entschützungs‘-Schritte immer noch Vakuumbedingungen“, erklärt Peña. „Das bedeutet, dass wir zwar unsere interessierenden Moleküle in die geeigneten Gerätestrukturen für skalierbare Anwendungen platzieren können, die Geräte aber dennoch im Vakuum funktionieren müssen.“
Daher ist ein zusätzlicher Schritt erforderlich, nämlich der Schutz der Struktur des gesamten GNR-basierten Geräts auf eine Weise, die die Chemie des Moleküls nicht beeinträchtigt. „Das ist eine der größten Herausforderungen, die wir angehen müssen“, sagt Jelinek.
Die Studie ist veröffentlicht in Nature Chemistry.
