Οι νανοδομές γραφενίου με άκρες σε σχήμα ζιγκ-ζαγκ δείχνουν πολλά τεχνολογικά υπόσχονται χάρη στις εξαιρετικές ηλεκτρονικές και μαγνητικές τους ιδιότητες. Δυστυχώς, οι εξαιρετικά αντιδραστικές άκρες αυτών των λεγόμενων νανοκορδέλων γραφενίου (GNR) υποβαθμίζονται γρήγορα όταν εκτίθενται στον αέρα, περιορίζοντας τις πρακτικές τους εφαρμογές. Μια ομάδα στην Ισπανία και την Τσεχία έχει τώρα καταλήξει σε δύο νέες στρατηγικές για την προστασία τους. Αυτές οι στρατηγικές θα μπορούσαν επίσης να επεκταθούν σε άλλους τύπους τεχνολογικά σημαντικών νανοδομών με βάση τον άνθρακα.
Τα GNRS είναι ιδιαίτερα επειδή η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων τους μπορεί να ρυθμιστεί από μέταλλο σε ημιαγώγιμη απλά ρυθμίζοντας το μήκος ή το πλάτος των κορδελών, τροποποιώντας τη δομή των άκρων τους ή ντοπάροντάς τα με άτομα μη άνθρακα. Τα υλικά μπορούν επίσης να γίνουν μαγνητικά χρησιμοποιώντας αυτές τις τεχνικές. Η ευελιξία των GNR τα καθιστά πολλά υποσχόμενα δομικά στοιχεία για πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών τεχνολογιών.
Το πρόβλημα είναι ότι οι εξαιρετικές ιδιότητες των GNR βασίζονται στην παρουσία τμημάτων σε σχήμα ζιγκ-ζαγκ κατά μήκος των άκρων τους και αυτά τα τμήματα (σε αντίθεση με τα άκρα σε σχήμα πολυθρόνας) είναι ασταθή στον αέρα. Αυτό σημαίνει ότι τα GNR πρέπει να διατηρούνται στο κενό, καθιστώντας δύσκολη την χρησιμοποίησή τους σε πραγματικές εφαρμογές.
sp3 η διαμόρφωση αυξάνει τη σταθερότητα του αέρα
Στη νέα εργασία, τρεις ερευνητικές ομάδες – με επικεφαλής Dimas G de Oteyza του Κέντρο Ερευνών Νανοϋλικών και Νανοτεχνολογίας (CINN) στο El Entrego, Ισπανία; Ντιέγκο Πένια από CiQUS, Πανεπιστήμιο του Σαντιάγκο ντε Κομποστέλα? Και Πάβελ Γέλινεκ κατά τη Ινστιτούτο Φυσικής, Τσεχική Ακαδημία Επιστημών – μελέτησε στενές λωρίδες νανοκορδέλες γραφενίου με μεγάλη πυκνότητα ακμών σε σχήμα ζιγκ-ζαγκ. Βρήκαν ότι όταν υδρογονώνονται, τα άτομα άνθρακα στις νανοδομές επαναυβριδοποιούνται σε ένα sp3 διαμόρφωση, η οποία αυξάνει τη σταθερότητά τους στον αέρα. Οι κατασκευές μπορούν να μετατραπούν ξανά στην αρχική τους κατάσταση απλά θερμαίνοντάς τις. Εναλλακτικά, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι θα μπορούσαν να κάνουν τις νανοδομές σταθερές με τη λειτουργικοποίησή τους με πλευρικές ομάδες κετόνης. Αυτή η οξειδωμένη μορφή του υλικού είναι σταθερή σε μια ποικιλία άλλων χημικών ουσιών, επίσης, και μπορεί να μετατραπεί ξανά στην παρθένα μορφή με υδρογόνωση και ανόπτηση υπό συνθήκες κενού. Και στις δύο περιπτώσεις, τα προστατευμένα GNR διατηρούν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των παρθένων νανοδομών.
«Οι στρατηγικές προστασίας μας επιτρέπουν να βγάλουμε αυτά τα μόρια από το περιβάλλον αδρανούς κενού χωρίς να τα υποβαθμίσουμε», λέει ο Oteyza. Κόσμος Φυσικής. «Αυτές οι τεχνικές μπορούν να επεκταθούν σε διαφορετικά GNR και νανοδομές με βάση τον άνθρακα, καθώς και σε διαφορετικές λειτουργικές ομάδες, επιτρέποντας σε αυτά τα υλικά άνθρακα με ζιγκ-ζαγκ να χρησιμοποιηθούν σε κλιμακούμενες εφαρμογές του πραγματικού κόσμου».
Οι στριμωγμένοι νανοσωλήνες άνθρακα δημιουργούν λείες νανοκορδέλες
Προτού καταστεί αυτό δυνατό, ωστόσο, ο Oteyza και οι συνεργάτες του αναγνωρίζουν ότι υπάρχουν προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν. «Για ένα, τα βήματα «αποπροστασίας» εξακολουθούν να απαιτούν συνθήκες κενού», εξηγεί ο Peña. «Αυτό σημαίνει ότι ενώ μπορούμε να τοποθετήσουμε τα μόριά μας που μας ενδιαφέρουν στις κατάλληλες δομές συσκευών για κλιμακούμενες εφαρμογές, οι συσκευές πρέπει να λειτουργούν ακόμα στο κενό».
Ως εκ τούτου, θα απαιτηθεί ένα πρόσθετο βήμα, δηλαδή η προστασία της δομής ολόκληρης της συσκευής που βασίζεται σε GNR με τρόπο που να μην επηρεάζει τη χημεία του μορίου. «Αυτή είναι μια από τις κύριες προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπίσουμε», λέει ο Jelinek.
Η μελέτη δημοσιεύεται στο Φύση Χημεία.
