Grafenes adfærd afhænger af, hvor den sidder

Når du ser på en gaveindpakket gave, indpakningspapirets grundlæggende egenskaber - siger, dens farver og tekstur - er generelt ikke ændret af arten af ​​gaven indeni.

Men overraskende nye eksperimenter udført på MIT viser, at et et-atom-tykt materiale kaldet grafen, en form for rent kulstof, hvis atomer er forbundet i et hønsetrådslignende gitter, opfører sig helt anderledes afhængigt af arten af ​​materialet, det er pakket rundt om. Når plader af grafen placeres på underlag lavet af forskellige materialer, grundlæggende egenskaber - såsom hvordan grafen leder elektricitet, og hvordan det interagerer kemisk med andre materialer - kan være drastisk forskellige, afhængig af arten af ​​det underliggende materiale.

"Vi var ret overraskede" over at opdage denne ændrede adfærd, siger Michael Strano, Charles og Hilda Roddey professor i kemiteknik ved MIT, som er seniorforfatter til et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturkemi . "Vi forventede, at det ville opføre sig som grafit" - en velkendt form for kulstof, bruges til at lave bly i blyanter, hvis struktur i det væsentlige er flere lag af grafen stablet oven på hinanden.

Men dens adfærd viste sig at være helt anderledes. "Graphene er meget mærkeligt, " siger Strano. På grund af dens ekstreme tyndhed, i praksis placeres grafen næsten altid oven på andet materiale til støtte. Når materialet nedenunder er siliciumdioxid, et standardmateriale, der bruges i elektronik, grafenen kan let blive "funktionaliseret", når den udsættes for visse kemikalier. Men når grafen sidder på bornitrid, det reagerer næsten ikke på de samme kemikalier.

"Det er meget kontraintuitivt, " siger Strano. "Du kan slukke og tænde for grafens evne til at danne kemiske bindinger, baseret på, hvad der er nedenunder."

Grunden, det viser sig, er, at materialet er så tyndt, at den måde, det reagerer på, er stærkt påvirket af de elektriske felter af atomer i materialet under det. Det betyder, at det er muligt at skabe enheder med et mikromønstret substrat - bestående af nogle siliciumdioxidområder og nogle belagt med bornitrid - dækket med et lag af grafen, hvis kemiske opførsel så vil variere i henhold til det skjulte mønster. Dette kunne muliggøre, for eksempel, produktion af mikroarrays af sensorer til at detektere spor af biologiske eller kemiske materialer.

Qing Hua Wang, en MIT postdoc, der er hovedforfatter af papiret, siger, "Du kunne få forskellige molekyler af en delikat biologisk markør til at interagere [med disse områder på grafenoverfladen] uden at forstyrre biomolekylerne selv." De fleste nuværende fremstillingsteknikker til sådanne mønstrede overflader involverer varme og reaktive opløsningsmidler, der kan ødelægge disse følsomme biologiske molekyler.

Ultimativt, grafen kan endda blive en beskyttende belægning for mange materialer, siger Strano. For eksempel, det et atom-tykke materiale, når den er bundet til kobber, helt eliminerer det metals tendens til at oxidere (hvilket producerer den karakteristiske blågrønne overflade af kobbertage). "Det kan helt slukke for korrosionen, " siger han, "næsten som magi ... med blot hvisken af ​​en belægning."

For at forklare, hvorfor grafen opfører sig, som det gør, "vi kom op med en ny elektronoverførselsteori", der redegør for den måde, den påvirkes af det underliggende materiale, siger Strano. "Mange kemikere havde savnet dette, ” og som et resultat var blevet forvirret af tilsyneladende uforudsigelige ændringer i, hvordan grafen reagerer i forskellige situationer. Denne nye forståelse kan også bruges til at forudsige materialets adfærd på andre underlag, han siger.

James Tour, en professor i kemi og datalogi ved Rice University, som ikke var involveret i denne forskning, siger, "Dette er den første systematiske undersøgelse af substratets effekt på grafens kemiske reaktivitet. Dette er en meget omhyggeligt gennemført undersøgelse med overbevisende resultater. Jeg forudser, at det vil blive en ofte citeret publikation."

Wang tilføjer, at "det er et ret generelt resultat", der kan bruges til at forudsige den kemiske adfærd af mange forskellige konfigurationer. "Vi tror, ​​at andre grupper kan tage denne idé og virkelig udvikle forskellige ting med den, ” siger hun. Tour er enig, ordsprog, "Det grafen-sansende samfund vil blive inspireret af dette arbejde til at udforske mange flere substrater i et forsøg på at optimere grafen-reaktivitet."

Hvad angår MIT-teamet, hun siger, "Næste skridt er, vi graver i detaljerne om, hvordan tolagsgrafen reagerer. Det ser ud til at opføre sig anderledes” end enkeltlagsmaterialet.