Grafeenin nanorakenteet, joissa on siksak-muotoiset reunat, osoittavat paljon teknologisesti lupaavia erinomaisten elektronisten ja magneettisten ominaisuuksiensa ansiosta. Valitettavasti näiden niin kutsuttujen grafeeninanoribbonien (GNR:iden) erittäin reaktiiviset reunat hajoavat nopeasti joutuessaan alttiiksi ilmalle, mikä rajoittaa niiden käytännön sovellutuksia. Espanjan ja Tšekin tasavallan joukkue on nyt keksinyt kaksi uutta strategiaa suojellakseen heitä. Näitä strategioita voitaisiin laajentaa myös muun tyyppisiin teknologisesti tärkeisiin hiilipohjaisiin nanorakenteisiin.
GNRS:t ovat erityisiä, koska niiden elektronien käyttäytyminen voidaan virittää metallimaisesta puolijohtavaksi yksinkertaisesti säätämällä nauhojen pituutta tai leveyttä, modifioimalla niiden reunojen rakennetta tai seostamalla ne ei-hiiliatomeilla. Materiaalit voidaan myös tehdä magneettisiksi näillä tekniikoilla. GNR:ien monipuolisuus tekee niistä lupaavia rakennuspalikoita lukuisiin sovelluksiin, mukaan lukien kvanttiteknologiat.
Ongelmana on, että GNR:iden poikkeukselliset ominaisuudet riippuvat siksak-muotoisten segmenttien läsnäolosta niiden reunoilla, ja nämä segmentit (toisin kuin nojatuolin muotoiset reunat) ovat epävakaita ilmassa. Tämä tarkoittaa, että GNR:t on pidettävä tyhjiössä, mikä tekee niiden käyttämisestä tosielämän sovelluksissa vaikeaa.
sp3 kokoonpano lisää ilman vakautta
Uudessa työssä kolme tutkimusryhmää – johdolla Dimas G de Oteyza että Nanomateriaalien ja nanoteknologian tutkimuskeskus (CINN) El Entregossa, Espanja; Diego Peña alkaen CiQUS, Universidade de Santiago de Compostela, Ja Pavel Jelinek klo Fysiikan instituutti, Tšekin tiedeakatemia – tutki grafeeninanonauhan kapeita kaistaleita, joissa oli suuri tiheys siksak-muotoisia reunoja. He havaitsivat, että kun hydrataan, nanorakenteiden hiiliatomit hybridisoituvat uudelleen sp3 kokoonpano, mikä lisää niiden vakautta ilmassa. Rakenteet voidaan muuttaa takaisin alkuperäiseen tilaan yksinkertaisesti lämmittämällä. Vaihtoehtoisesti tutkijat havaitsivat, että he voisivat tehdä nanorakenteista vakaita funktionalisoimalla ne ketonisivuryhmillä. Tämä materiaalin hapettunut muoto on stabiili myös useille muille kemikaaleille, ja se voidaan muuttaa takaisin koskemattomaan muotoon hydraamalla ja hehkuttamalla tyhjiöolosuhteissa. Molemmissa tapauksissa suojatut GNR:t säilyttävät koskemattomien nanorakenteiden elektroniset ominaisuudet.
"Suojausstrategiamme antavat meille mahdollisuuden ottaa nämä molekyylit pois inertistä tyhjiöympäristöstä hajoamatta niitä", Oteyza kertoo. Fysiikan maailma. "Nämä tekniikat voidaan ekstrapoloida erilaisiin GNR:ihin ja hiilipohjaisiin nanorakenteisiin sekä erilaisiin funktionaalisiin ryhmiin, jolloin näitä siksak-reunaisia hiilimateriaaleja voidaan käyttää skaalautuvissa tosielämän sovelluksissa."
Puristetut hiilinanoputket muodostavat sileitä nanonauhoja
Ennen kuin tämä tulee mahdolliseksi, Oteyza ja kollegat myöntävät, että haasteita on voitettava. "Yhdessä tapauksessa suojauksen poistovaiheet vaativat edelleen tyhjiöolosuhteita", Peña selittää. "Tämä tarkoittaa, että vaikka voimme sijoittaa kiinnostavat molekyylimme sopiviin laiterakenteisiin skaalautuvia sovelluksia varten, laitteiden on silti toimittava tyhjiössä."
Siksi tarvitaan lisävaihe, nimittäin koko GNR-pohjaisen laitteen rakenteen suojaaminen tavalla, joka ei vaikuta molekyylin kemiaan. "Tämä on yksi tärkeimmistä haasteista, joihin meidän on vastattava", Jelinek sanoo.
Tutkimus julkaistaan Nature Chemistry.
