Grafeen-nanostructuren met zigzagvormige randen laten veel technologische belofte zien dankzij hun uitstekende elektronische en magnetische eigenschappen. Helaas degraderen de zeer reactieve randen van deze zogenaamde grafeen nanoribbons (GNR's) snel wanneer ze worden blootgesteld aan lucht, waardoor hun praktische toepassingen worden beperkt. Een team in Spanje en Tsjechië heeft nu twee nieuwe strategieën bedacht om hen te beschermen. Deze strategieën kunnen ook worden uitgebreid naar andere soorten technologisch belangrijke op koolstof gebaseerde nanostructuren.
GNRS is bijzonder omdat het gedrag van hun elektronen kan worden afgestemd van metaalachtig naar halfgeleidend door simpelweg de lengte of breedte van de linten aan te passen, de structuur van hun randen te wijzigen of ze te doteren met niet-koolstofatomen. Met deze technieken kunnen de materialen ook magnetisch worden gemaakt. De veelzijdigheid van GNR’s maakt ze veelbelovende bouwstenen voor tal van toepassingen, waaronder kwantumtechnologieën.
Het probleem is dat de uitzonderlijke eigenschappen van GNR's afhankelijk zijn van de aanwezigheid van zigzagvormige segmenten langs hun randen, en deze segmenten (in tegenstelling tot fauteuilvormige randen) zijn onstabiel in de lucht. Dit betekent dat GNR's in een vacuüm moeten worden bewaard, waardoor het moeilijk wordt om ze in echte toepassingen te gebruiken.
sp3 configuratie verhoogt de luchtstabiliteit
In het nieuwe werk, drie onderzoeksgroepen - onder leiding van Dimas G de Oteyza van de Onderzoekscentrum voor nanomaterialen en nanotechnologie (CINN) in El Entrego, Spanje; Diego Pena oppompen van CiQUS, Universidade de Santiago de Compostelaund Pavel Jelinek de Instituut voor Natuurkunde, Tsjechische Academie van Wetenschappen – bestudeerde smalle stroken grafeen nanoribbons met een grote dichtheid aan zigzagvormige randen. Ze ontdekten dat wanneer ze worden gehydrogeneerd, de koolstofatomen in de nanostructuren opnieuw hybridiseren tot een sp3 configuratie, die hun stabiliteit in de lucht verhoogt. De constructies kunnen eenvoudig door verhitting weer in hun oorspronkelijke staat worden teruggebracht. Als alternatief ontdekten de onderzoekers dat ze de nanostructuren stabiel konden maken door ze te functionaliseren met ketonzijgroepen. Deze geoxideerde vorm van het materiaal is ook stabiel voor een verscheidenheid aan andere chemicaliën en kan weer worden omgezet in de oorspronkelijke vorm door hydrogenering en gloeien onder vacuümomstandigheden. In beide gevallen behouden de beschermde GNR's de elektronische eigenschappen van de ongerepte nanostructuren.
"Onze beschermingsstrategieën stellen ons in staat om deze moleculen uit de inerte vacuümomgeving te halen zonder ze af te breken", vertelt Oteyza. Natuurkunde wereld. "Deze technieken kunnen worden geëxtrapoleerd naar verschillende GNR's en op koolstof gebaseerde nanostructuren, evenals naar verschillende functionele groepen, waardoor deze koolstofmaterialen met zigzagranden kunnen worden gebruikt in schaalbare real-world toepassingen."
Geplette koolstofnanobuisjes maken gladde nanoribbons
Voordat dit echter mogelijk wordt, erkennen Oteyza en collega's dat er uitdagingen moeten worden overwonnen. "Ten eerste vereisen de 'ontscherming'-stappen nog steeds vacuümomstandigheden", legt Peña uit. "Dit betekent dat hoewel we onze interessante moleculen in de juiste apparaatstructuren voor schaalbare toepassingen kunnen plaatsen, de apparaten nog steeds in vacuüm moeten werken."
Er zal daarom een extra stap nodig zijn, namelijk het beschermen van de structuur van het hele op GNR gebaseerde apparaat op een manier die de chemie van het molecuul niet aantast. "Dit is een van de belangrijkste uitdagingen die we moeten aanpakken", zegt Jelinek.
De studie is gepubliceerd in Natuurchemie.
