En ny syntesemetode muliggør fremstilling af wafertynde kulstoflag

(Phys.org) —Forskere har udviklet et lovende nanomateriale, der kan tilpasses til brug i en lang række applikationer. Et internationalt team ledet af forskere fra det schweiziske føderale institut for teknologi Lausanne (EPFL) og Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm har udviklet en elegant metode til fremstilling af selvorganiserede carbon nanolayers og udstyret dem kemisk med en række funktioner. Sådanne funktionaliserede carbonnanolag menes at være egnede til forskellige anvendelser. For eksempel, de kunne fungere som belægninger, der gør overflader både ridsefaste og smudsafvisende, eller som sensorer til detektering af ekstremt små mængder stoffer. Kulstoflagenes elektriske ledningsevne gør dem også velegnede til brug som elektroniske komponenter i forskellige applikationer.

I morgendagens teknologi, noget ufatteligt småt kunne godt blive en kæmpe. Forskere forsker i mange varianter af nanomaterialer, nemlig stoffer med dimensioner i området 100 nanometer. Præfikset nano stammer fra det græske ord for dværg, og henviser til en milliarddel. Dermed, en nanometer er en milliardtedel af en meter. Forskere er meget optaget af ét bestemt materiale, der kommer i disse dimensioner:kulstofnanolag. Det er honeycomb-lignende lag af kulstofatomer, der er nogle få nanometer tykke - eller endda mindre. De tyndeste tænkelige carbon nanolag af denne art er grafener, som består af et enkelt lag kulstof.

Til mange applikationer, det ville være vigtigt at kunne udstyre disse ultratynde carbonplader med visse kemiske molekylrester, kendt som funktionelle grupper. "Dette har kun været muligt i begrænset omfang indtil nu, fordi carbon nanosheets normalt kun kan fremstilles ved ekstremt høje temperaturer - og, derfor, under forhold, der øjeblikkeligt ville ødelægge sådanne funktionelle grupper, " forklarer Gerald Brezesinski fra Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Golm nær Potsdam. Sammen med kolleger fra hans institut, Brezesinski har ydet støtte til forskere fra Swiss Swiss Institute of Technology Lausanne (EPFL) i udviklingen af ​​en syntesetilgang, der kunne have interesse i denne sammenhæng. Ved hjælp af denne metode, carbon nanolag, herunder funktionelle grupper, kunne være tilgængelig ved betydeligt lavere temperaturer end dem, der normalt anvendes ved fremstilling af sådanne materialer.

Dykker dybt ned i posen med kemiske tricks

For at danne en plan struktur ud fra carbonatomer, de schweiziske forskere indsatte en række tricks. En af de vigtigste vedrørte den valgte startforbindelse, et molekyle, hvis midtersektion har seks vekslende carbon-carbon triple- og enkeltbindinger. Disse sektioner består udelukkende af kulstofatomer og er meget reaktive, da de også kan gennemgå kemiske reaktioner ved lavere temperaturer. I modsætning til andre processer, det betyder, at der kan dannes tynde kulstoflager fra disse molekyler ved stuetemperatur.

Ved hjælp af en speciel testopsætning, forskerne sørgede for at mange af disse molekyler tilpassede sig perfekt parallelt med hinanden i et enkelt selvorganiseret lag-ligesom børsterne på en børste. Imidlertid, der var en lille forskel på børstehårene:de parallelle kæder af molekyler havde hver en lille bøjning. Som følge af denne ordning, de kulstofrige sektioner af alle molekyler var placeret på samme niveau. Da forskerne anvendte UV-lys på denne opsætning, nogle af triple -bindingerne brød op, og der blev dannet bindinger i stedet mellem carbonatomer i nabomolekyler. Fordi næsten alle børsterhår derved til sidst blev bundet til deres nabobørster, et konsekvent lag af kulstofatomer opstod – et kulstofnanolag.

For at alt dette kan ske, de Lausanne-baserede forskere måtte tydeligvis grave dybt ned i kassen med kemiske tricks til designet af den molekylære forløber. For at sikre det parallelle arrangement af deres molekyler, de udtænkte overfladeaktivt stoflignende molekyler, ligner dem, der findes i opvaskemiddel. Mens den ene ende af sådanne molekyler opløses godt i vand, den anden opløses slet ikke. Mellem disse to ender, forskerne placerede de reaktive triple obligationer.

Da de bragte deres forbindelse i kontakt med vand på dette tidspunkt, kun den ene ende af molekylet opløst. Hele den resterende rest var så uopløselig, at den stak ud fra overfladen til luften. Det lykkedes forskerne bevidst at sætte en ensartet afstand mellem de enkelte molekylære børster. På niveauet for triple obligationer, dette skulle være mindre end 0,4 nanometer, da de tilstødende kulstofatomer kun er tæt nok på hinanden i dette tilfælde til at danne nye bindinger med hinanden under UV-lys.

Succes af synteseproces bekræftet af højt specialiseret analyse

For forskerne, det var vigtigt at forstå, hvordan det molekylære lag langs vand-luft-grænsen faktisk så ud, og hvordan det ændrede sig i løbet af reaktionen. Særlige metoder kom i spil her, som er en del af repertoiret af Gerald Brezesinski og hans forskningsgruppe ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam. For eksempel, for at opdage placeringen af ​​de relevante atomer i grænselaget-og dermed også det nøjagtige arrangement af startmolekylerne-brugte forskerne højenergirøntgenstråler fra DESY-synkrotronen i Hamburg. De måder, hvorpå disse bjælker blev spredt eller reflekteret på det skive-tynde prøvelag, gav til sidst Gerald Brezesinski og hans kollega Cristina Stefaniu, der nu arbejder på University of Potsdam, med information om det nøjagtige arrangement af startmolekylerne.

Ved hjælp af infrarød refleksionsabsorptionsspektroskopi, det lykkedes forskerne senere at spore den faktiske reaktion under UV -bestråling. At gøre dette, de målte, hvordan det karakteristiske signal fra triple bindingerne faldt kontinuerligt i løbet af reaktionen. En meget speciel teknik brugt af forskerne i Potsdam var nyttig her. Forstyrrende påvirkninger fra de tilstedeværende vandmolekyler kunne kun maskeres ved hjælp af denne teknik. "Der er kun få forskningsgrupper i verden, der kan synliggøre denne form for infrarød spektroskopi i sådanne lag, " understreger Gerald Brezesinski.

Særlige teknikker, der blev brugt af de Potsdam-baserede Max Planck-forskere, viste sig også at være nyttige til at karakterisere det resulterende produkt. Disse omfattede, for eksempel, Brewster vinkelmikroskopi, som blev udviklet for omkring 20 år siden på Max Planck Institute for Biophysical Chemistry i Göttingen. Ved hjælp af dette mikroskop, forskerne var i stand til at vise, at produktet var et meget homogent glat lag, som er i alt to nanometer tyk - og, derfor, faktisk et kulstof nanolag.

Gerald Brezesinski fra Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam var også tilfreds med denne succes:"Det betyder, at det faktisk er muligt at designe overfladeaktive molekyler på en måde, der muliggør deres anvendelse i syntesen af ​​et kulstoflag på en vandoverflade. Vi var i stand til at bevise dette ved hjælp af vores metoder. "

Udgangspunkt for "funktionelle carbon nanolag"

Ved afslutningen af ​​synteseprocessen, enderne af startmolekylerne stak stadig ud af nanolaget-den vandopløselige ende på den ene side og den uopløselige ende på den anden. Denne særlige faktor er ekstremt vigtig for forskerne, da det giver mulighed for at fæstne kemiske grupper på enden forud for syntese, hvilket vil give det efterfølgende kulstofnanolag en særlig funktion. De kemiske tillæg ville modstå den milde produktionsproces ubeskadiget, og ville også blive konserveret i det resulterende carbonnanolag.

På denne måde, for eksempel, det ville være muligt at forankre kemiske grupper på den ene side, der senere ville understøtte forbindelsen til visse overflader af glas eller metal. Grupper kunne også fastgøres til den anden side, der ville gøre laget smudsafvisende. Selve kulstoflaget ville også gøre overfladen meget ridsefast. Kemiske nanosensorer kunne også konstrueres ud fra sådanne wafer-tynde lag. Til denne ende, kemiske grupper kunne integreres i udgangsmolekylerne, som senere sikrer vekselvirkningen med stoffet eller stofgruppen, der skal måles. Carbon nanolagers høje elektriske ledningsevne kan derefter bruges til transmission af målesignalerne. Forskerne fra Lausanne og Potsdam håber derfor, at deres innovative proces til fremstilling af selvorganiserede og funktionelle kulstofnanolag vil bane vejen for en lang række interessante nye anvendelser.