Nanostructurile de grafen cu margini în formă de zig-zag arată multă promisiune tehnologică datorită proprietăților lor electronice și magnetice excelente. Din păcate, marginile extrem de reactive ale acestor așa-numite nanoribonuri de grafen (GNR) se degradează rapid atunci când sunt expuse la aer, limitând aplicațiile lor practice. O echipă din Spania și Republica Cehă au venit acum cu două noi strategii pentru a le proteja. Aceste strategii ar putea fi extinse și la alte tipuri de nanostructuri bazate pe carbon importante din punct de vedere tehnologic.
GNRS sunt speciale deoarece comportamentul electronilor lor poate fi reglat de la metal la semiconductor, pur și simplu prin ajustarea lungimii sau lățimii benzilor, modificând structura marginilor lor sau dopându-le cu atomi non-carbon. Materialele pot fi, de asemenea, făcute magnetice folosind aceste tehnici. Versatilitatea GNR-urilor le face elemente de bază promițătoare pentru numeroase aplicații, inclusiv tehnologii cuantice.
Problema este că proprietățile excepționale ale GNR-urilor se bazează pe prezența segmentelor în formă de zig-zag de-a lungul marginilor lor, iar aceste segmente (spre deosebire de marginile în formă de fotoliu) sunt instabile în aer. Aceasta înseamnă că GNR-urile trebuie păstrate în vid, ceea ce face dificilă utilizarea lor în aplicații din lumea reală.
sp3 configurația crește stabilitatea aerului
În noua lucrare, trei grupuri de cercetare – conduse de Dimas G de Oteyza a Centrul de Cercetare în Nanomateriale și Nanotehnologie (CINN) din El Entrego, Spania; Diego Peña din CiQUS, Universidade de Santiago de CompostelaŞi Pavel Jelinek de la Institutul de Fizică, Academia Cehă de Științe – au studiat fâșii înguste de nanoribonuri de grafen cu o densitate mare de margini în formă de zig-zag. Ei au descoperit că atunci când sunt hidrogenați, atomii de carbon din nanostructuri se rehibridează într-un sp3 configurație, ceea ce le crește stabilitatea în aer. Structurile pot fi convertite înapoi la starea lor originală pur și simplu prin încălzirea lor. Alternativ, cercetătorii au descoperit că ar putea face nanostructurile stabile prin funcționalizarea lor cu grupuri laterale de cetone. Această formă oxidată a materialului este stabilă și la o varietate de alte substanțe chimice și poate fi convertită înapoi la forma originală prin hidrogenare și recoacere în condiții de vid. În ambele cazuri, GNR-urile protejate păstrează proprietățile electronice ale nanostructurilor curate.
„Strategiile noastre de protecție ne permit să scoatem aceste molecule din mediul de vid inert fără a le degrada”, spune Oteyza. Lumea fizicii. „Aceste tehnici pot fi extrapolate la diferite GNR-uri și nanostructuri pe bază de carbon, precum și la diferite grupuri funcționale, permițând acestor materiale de carbon cu muchii în zig-zag să fie utilizate în aplicații scalabile din lumea reală.”
Nanotuburile de carbon zdrobite formează nanoribonuri netede
Înainte ca acest lucru să devină posibil, totuși, Oteyza și colegii recunosc că există provocări de depășit. „În primul rând, etapele de „deprotecție” necesită încă condiții de vid”, explică Peña. „Acest lucru înseamnă că, deși ne putem plasa moleculele de interes în structurile adecvate ale dispozitivelor pentru aplicații scalabile, dispozitivele trebuie să funcționeze în continuare în vid.”
Prin urmare, va fi necesar un pas suplimentar, și anume protejarea structurii întregului dispozitiv bazat pe GNR într-un mod care să nu afecteze chimia moleculei. „Aceasta este una dintre principalele provocări pe care trebuie să le abordăm”, spune Jelinek.
Studiul este publicat în Chimia naturii.
