Grafen:En mønstret skabelon til molekylær pakning

Graphene's alsidige elektroniske, kemiske og mekaniske egenskaber har sat det i centrum for fysisk videnskabelig forskning, med opmærksomhed i øjeblikket fokuseret på dets potentielle anvendelser. Beregningseksperter bidrager med unik indsigt ved at undersøge grafen-baserede strukturer i silico. Ved at udforske strukturen og egenskaberne af grafon – grafen, der er hydrogeneret på den ene side – har et forskerhold fra Singapore og USA givet en potentiel skabelon til pakning af molekyler. Disse strukturer kan være nyttige til at fange molekyler til energilagring eller biologiske anvendelser.

Ledet af Chilla Damodara Reddy fra A*STAR Institute of High Performance Computing, Singapore, forskerholdet konstruerede beregningsmæssigt et stort kvadratisk grafenark med brintatomer kovalent bundet over hvert andet kulstofatom for at danne et grafondomæne. Afhængigt af størrelsen af ​​domænet, grafonområderne forvrænget til tre distinkte tredimensionelle arkitekturer. Små domæner omdannet til en hætteform, mens større domæner resulterede i grænseflader mellem grafen og grafonsegmenter, der buede i modsatte retninger, mens midten af ​​grafonlappen forblev flad. En tredjedel, mellemliggende, morfologi viste bølger både ved grafon/grafen-grænsefladen og i midten af ​​den hydrogenerede grafon. En 5% gittermismatch mellem grafen og grafon forårsagede de tredimensionelle forvrængninger.

Alle strukturerne var stabile et godt stykke over stuetemperatur. Reddy og kolleger observerede også såkaldte 'energibrønde' i grafon-domænerne, som de testede for at afgøre, om de kunne fange molekyler eller ej. De brugte fullerener som deres modelmolekyler.

Forskerne designede materialer med grafondomæner med passende afstand fra hinanden og med passende diameter for at optimere indfangningen af ​​flere molekyler i energibrøndene. De foreslog også en minimumsafstand mellem domænerne for at forhindre ustabilitet mellem fangede molekyler af nabodomæner.

Reddy og hans medarbejdere udvidede arbejdet for at udforske muligheden for at fange flere fullerener inden for et grafondomæne. De viste, at et domæne med en diameter på 2 nanometer kunne fange tre fullerener i et trekantet array, mens en med en diameter på 4 nanometer kunne fange tolv molekyler i forskellige bølger af grafondomænet (se billede). Disse strukturer var også stabile ved stuetemperatur; selvom ved meget høje temperaturer - over 700 kelvin - kunne molekylerne undslippe energiens grænser godt.

"Vores grafen-baserede strukturer giver en potentiel skabelon til pakning af andre molekyler, såsom brint og methanol molekyler, som kan bruges i energianvendelser, " siger forskerne. De kunne også fange proteiner og DNA til brug i biologiske applikationer.