Grafen nanostrukturer med sicksackformade kanter visar mycket tekniskt löfte tack vare deras utmärkta elektroniska och magnetiska egenskaper. Tyvärr bryts de mycket reaktiva kanterna av dessa så kallade grafennanorband (GNR) snabbt ned när de utsätts för luft, vilket begränsar deras praktiska tillämpningar. Ett lag i Spanien och Tjeckien har nu kommit med två nya strategier för att skydda dem. Dessa strategier skulle också kunna utvidgas till andra typer av tekniskt viktiga kolbaserade nanostrukturer.
GNRS är speciella eftersom deras elektroners beteende kan ställas in från metallliknande till halvledande helt enkelt genom att justera längden eller bredden på banden, modifiera strukturen på deras kanter eller dopa dem med icke-kolatomer. Materialen kan också göras magnetiska med dessa tekniker. Mångsidigheten hos GNR:er gör dem till lovande byggstenar för många applikationer, inklusive kvantteknik.
Problemet är att de exceptionella egenskaperna hos GNR:er är beroende av närvaron av sicksackformade segment längs deras kanter, och dessa segment (till skillnad från fåtöljformade kanter) är instabila i luft. Detta innebär att GNR:er måste hållas i vakuum, vilket gör det svårt att använda dem i verkliga applikationer.
sp3 konfiguration ökar luftstabiliteten
I det nya arbetet har tre forskargrupper – under ledning av Dimas G de Oteyza av Forskningscenter för nanomaterial och nanoteknik (CINN) i El Entrego, Spanien; Diego Peña från CiQUS, Universidade de Santiago de Compostela; Och Pavel Jelinek vid Institutet för fysik, Tjeckiska vetenskapsakademin – studerade smala remsor av grafen nanorband med en stor täthet av sicksackformade kanter. De fann att när de hydreras rehybridiseras kolatomerna i nanostrukturerna till en sp3 konfiguration, vilket ökar deras stabilitet i luft. Strukturerna kan omvandlas tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd helt enkelt genom att värma upp dem. Alternativt fann forskarna att de kunde göra nanostrukturerna stabila genom att funktionalisera dem med ketonsidogrupper. Denna oxiderade form av materialet är också stabil mot en mängd andra kemikalier och kan omvandlas tillbaka till den orörda formen genom hydrering och glödgning under vakuumförhållanden. I båda fallen behåller de skyddade GNR:erna de elektroniska egenskaperna hos de orörda nanostrukturerna.
"Våra skyddsstrategier tillåter oss att ta ut dessa molekyler ur den inerta vakuummiljön utan att försämra dem", säger Oteyza Fysikvärlden. "Dessa tekniker kan extrapoleras till olika GNR och kolbaserade nanostrukturer, såväl som till olika funktionella grupper, vilket gör att dessa sicksackkantade kolmaterial kan användas i skalbara verkliga tillämpningar."
Klämda kolnanorör gör släta nanorband
Innan detta blir möjligt, menar Oteyza och kollegor att det finns utmaningar att övervinna. "För det första kräver "avskyddningsstegen" fortfarande vakuumförhållanden, förklarar Peña. "Detta betyder att även om vi kan placera våra intressanta molekyler i lämpliga enhetsstrukturer för skalbara applikationer, måste enheterna fortfarande fungera i vakuum."
Ett ytterligare steg kommer därför att krävas, nämligen att skydda strukturen av hela den GNR-baserade enheten på ett sätt som inte påverkar molekylens kemi. "Detta är en av de största utmaningarna som vi måste ta oss an", säger Jelinek.
Studien publiceras i Naturkemi.
