To-trins teknik gør grafen velegnet til organisk kemi

Fremtiden lysnede for organisk kemi, da forskere ved Rice University fandt en meget kontrollerbar måde at fastgøre organiske molekyler til uberørt grafen, gør mirakelmaterialet velegnet til en række nye applikationer.

Rice lab af kemiker James Tour, bygger på et sæt tidligere fund i manipulation af grafen, opdagede en totrinsmetode, der gjorde det, der var et enkelt atom-tykt lag af kulstof, til et supergitter til brug i organisk kemi. Arbejdet kan føre til fremskridt inden for grafenbaserede kemiske sensorer, termoelektriske apparater og metamaterialer.

Værket optrådte i denne uge i onlinebladet Naturkommunikation .

Grafen alene er inert over for mange organiske reaktioner og, som en halvmetal, har ingen båndgab; dette begrænser dets anvendelighed inden for elektronik. Men projektet ledet af Tour Labs Zhengzong Sun and Rice graduate Cary Pint, nu forsker ved Intel, viste, at grafen, det stærkeste materiale der er på grund af den robuste karakter af kulstof-kulstofbindinger, kan gøres egnet til nye typer kemi.

Indtil nu var der ingen måde at vedhæfte molekyler til basalplanet på et ark grafen, sagde Tour, Rices T.T. og W.F. Chao -stol i kemi samt professor i maskinteknik og materialevidenskab og datalogi. "De ville for det meste gå til kanterne, ikke interiøret, "sagde han." Men med denne totrinsteknik, vi kan hydrogenere grafen for at lave et bestemt mønster og derefter vedhæfte molekyler til, hvor disse hydrogener var.

"Det er nyttigt at lave, for eksempel, kemiske sensorer, hvor du ønsker peptider, DNA -nukleotider eller saccharider projiceres opad på diskrete steder langs en enhed. Reaktiviteten på disse steder er meget hurtig i forhold til at placere molekyler lige ved kanterne. Nu får vi vælge, hvor de skal hen. "

Det første trin i processen involverede at skabe et litografisk mønster til at fremkalde vedhæftning af hydrogenatomer til specifikke domæner i grafens honningkagematrix; denne omstrukturering gjorde det til en todimensionel, halvledende supergitter kaldet grafan. Hydrogenatomerne blev genereret af et varmt filament ved hjælp af en fremgangsmåde udviklet af Robert Hauge, en fornem fakultet i kemi hos Rice og medforfatter af papiret.

Laboratoriet viste sin evne til at prikke grafen med fint bearbejdede grafaneøer, da det tabte mikroskopisk tekst og et billede af Rices klassiske ugle -maskot, omkring tre gange bredden af ​​et menneskehår, på et lille ark og derefter spin-belagt det med en fluorofor. Graphen slukker naturligt fluorescerende molekyler, men grafan gør det ikke, så uglen lyste bogstaveligt talt op, når den blev set med en ny teknik kaldet fluorescens quenching microscopy (FQM).

FQM tillod forskerne at se mønstre med en opløsning så lille som en mikron, grænsen for konventionel litografi til rådighed for dem. Finere mønstre er muligt med det rigtige udstyr, begrundede de.

I det næste trin, laboratoriet udsatte materialet for diazoniumsalte, der spontant angreb øernes kulstof-hydrogenbindinger. Saltene havde den interessante effekt at eliminere brintatomerne, efterlader en struktur af carbon-carbon sp3-bindinger, der er mere egnet til yderligere funktionalisering med andre organiske stoffer.

"Det vi gør med dette papir er at gå fra grafen-grafan-supergitteret til en hybrid, en mere kompliceret supergitter, "sagde Sun, der for nylig fik sin doktorgrad ved Rice. "Vi vil foretage funktionelle ændringer af materialer, hvor vi kan kontrollere positionen, obligationstyperne, de funktionelle grupper og koncentrationerne.

"I fremtiden - og det kan være år - skulle du være i stand til at lave en enhed med en slags funktionel vækst på et område og en anden funktionel vækst på et andet område. De vil fungere anderledes, men stadig være en del af en kompakt, billig enhed, "sagde han." I begyndelsen der var meget lidt organisk kemi, du kunne gøre med grafen. Nu kan vi næsten det hele. Det åbner mange muligheder. "