Forskeres chirale grafenstabler bryder ny vej

Hænder og fødder er to eksempler på chirale objekter - ikke-overlejrede spejlbilleder af hinanden. Et billede er tydeligt "venstrehåndet, " mens den anden er "højrehåndet." Et simpelt drikkeglas og en bold er akiralt, hvilket betyder, at objektet og dets spejlbillede ser nøjagtigt ens ud.

I videnskaben, chiralitet er et grundlæggende begreb i en række discipliner, herunder medicin. I 1950'erne og begyndelsen af ​​60'erne, gravide kvinder fik ordineret det beroligende middel thalidomid, men stoffet producerede forfærdelige fødselsdefekter hos tusindvis af børn rundt om i verden. Årsagen:Thalidomidmolekylet er chiralt, og mens det venstre molekyle faktisk var et beroligende middel, den højre viste sig senere at producere føtale abnormiteter.

Indtil for ganske nylig, lignende "håndethed" i store film med atomskala præcision var ikke blevet undersøgt. Forskerholdet i Cornell's Jiwoong Park har brudt ny vej på dette område, udvikle en chiral atomisk tynd film kun 2-atomer tyk, gennem cirkulær stabling af grafen.

Dette materiale er af interesse inden for polarisationsoptik, stereokemi, optoelektronik og spin -transportelektronik, eller spintronik.

"Jeg vil sige, at vi har været nysgerrige på det her i lang tid, om vi kan lave dette materiale, " sagde Park, lektor i kemi og kemisk biologi og et udøvende medlem af Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science.

Parkgruppens papir, "Chirale atomisk tynde film, " blev offentliggjort 22. februar i Natur nanoteknologi . Park og Cheol-Joo Kim, en postdoc forsker i kemi og kemisk biologi, designet og gennemførte eksperimenterne og var med til at skrive papiret.

Bidragydere inkluderer Zack Ziegler '16, en ingeniørfysik hovedfag; tidligere Cornell postdoc Yui Ogawa; og Cecilia Noguez fra Instituto de Fisica, Universidad Nacional Autonoma de Mexico. Noguez er en af ​​verdens førende beregningsfysikere, og hun hjalp med at beregne Park-gruppens resultater.

"Denne opdagelse og dens bekræftelse kan have mange implikationer i både ren og anvendt videnskab, Noguez sagde. "Dette kan bruges til at registrere biomolekyler, og at inducere og kontrollere asymmetrisk katalyse, blandt andre. Jeg er sikker på, at denne opdagelse åbner nye forskningsretninger for andre 2-D-materialer. "

Til eksperimentet, Kim og Ogawa voksede grafenplader på kobber, skær dem derefter i flere ark. Disse ark blev derefter stablet, med hvert ark roteret lidt, før det placeres på det under det. Rotationen gik med uret på den ene stak og mod uret på den anden for at danne højrehåndede og venstrehåndede stakke.

Cirkulært polariseret lys - skiftende venstre- og højrehåndsstråler - blev skinnet på stakkene, og cirkulær dikroisme (eller CD, den differentielle absorption af venstre- og højrehåndslys), blev målt. Det er den cirkulære dikroisme af 3-D-briller, der giver dig mulighed for at se en film i tre dimensioner.

Den specielle grafenfilms cd var stærkere, end gruppen havde forventet. Efter måneders hårdt arbejde og nogle tilbageslag, denne opdagelse kom omkring Thanksgiving 2014, og "det var da hele processen accelererede, " sagde Kim.

Men efter at have opnået dette atomare gennembrud, gruppen skulle kvantificere sine resultater, så det vendte sig til Noguez.

"Det er et af de sjældne tilfælde, hvor vi vidste præcis, hvad vi ville have, så vi vidste, hvilken mængde der skulle beregnes, " sagde Park. "Det er ikke en nem beregning, og vi lavede en masse research og indså, at Cecilia er den bedste person til at gøre dette."

Noguez indrømmede, at hendes gruppe oprindeligt var overrasket over Parks resultater, men ved at analysere dem indså de yderligere, at forskningen gav mening.

"Vi forudsagde for lang tid siden en lignende adfærd for enkeltvæggede kulstofnanorør og for nylig i ligandbeskyttede metalnanopartikler, sagde hun. Så til sidst, disse resultater gav mening for mig. "