Forskere kontrollerer molekylær justering på en grafenoverflade

En gruppe videnskabsmænd ved Nagoya University har udviklet en enkel og kraftfuld metode til at konstruere perfekt ensrettede molekylære samlingsstrukturer på grafener, ifølge en undersøgelse rapporteret i tidsskriftet Videnskabelige rapporter . Opdaget ved et uheld under anden forskning, metoden er afhængig af et fælles laboratorieværktøj, atomkraftmikroskopi (AFM), at kontrollere molekylær alignment.

grafen, som er plader lavet af kulstof, tiltrækker bred interesse fra mange forskere som en stærk kandidat til den næste generation af elektronikmaterialer på grund af deres unikke egenskaber. Udviklingen af ​​en pålidelig metode, der muliggør den perfekte justering af molekyler eller molekylære samlinger på en grafenoverflade kan vise vejen til at justere grafens elektriske egenskaber, og at forbedre ydeevnen af ​​grafen-baserede elektroniske enheder. Selvom det er blevet meget undersøgt i de senere år, væksten af ​​velafstemte molekylære nanostrukturer udelukkende langs en ønsket retning er stadig vanskelig. Dette skyldes, at grafenoverfladen har tredobbelt symmetri, som er termodynamisk ækvivalente med hinanden, hvilket gør det vanskeligt at justere molekylerne i en orienteret retning.

For at løse dette problem, et hold ledet af Dr. Yuhei Miyauchi og professor Kenichiro Itami fra JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project og Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), fokuseret på de fysiske ændringer induceret af AFM tip scanning. AFM, en teknik, der hovedsageligt bruges til at analysere overflader, producerer billeder, der viser overfladeujævnheder af prøver ved at skubbe en sondespids hen over overfladearealet. Holdet havde mistanke om, at spidsscanning ændrer de termodynamiske forhold på grafenoverfladen og påvirker retningen af ​​molekylær justering.

Holdet undersøgte, hvordan AFM-spidsscanning fører til ændringer i molekylær justering på grafenoverfladen. De brugte natriumdodecylsulfat (SDS), et almindeligt overfladeaktivt molekyle, som et modelmolekyle. Undersøgelser har vist, at SDS danner båndlignende samlinger på grafenoverfladen.

Ved hjælp af en mikrosprøjtepumpe, SDS-opløsningen blev langsomt injiceret i et flerlag af grafen i en vanddråbe. Holdet sammenlignede, hvordan SDS-molekylerne klæbede til grafenen, en proces kaldet adsorption (ikke forveksles med absorption), med og uden AFM tip scanning.

Et AFM-højdebillede optaget 1 time efter SDS-injektion viste tilfældige ujævnheder på overfladen, hvilket indikerer tilfældig adsorption af SDS-molekyler på grafenoverfladen. Efter 15 minutters intens AFM-scanning, SDS-adsorptionsmorfologien ændrede sig drastisk, og mange båndlignende molekyler blev observeret. Dette fænomen indikerede, at styrken og retningen af ​​AFM-spidsscanning påvirker orienteringen af ​​de genererede SDS-bånd.

"Vi opdagede dette fænomen ved et uheld, da vi udførte et andet forskningsprojekt, " siger Dr. Liu Hong, en postdoc-forsker, der hovedsageligt udførte forsøgene. "Vi har bemærket, at når vi ser på billederne af AFM, SDS-båndet voksede i samme orienterede retning ved AFM-spidsscanning."

"Vi ønskede virkelig at afklare dette overraskende fænomen, " siger Yuhei Miyauchi, en gruppeleder af JST-ERATO-projektet.

Holdet analyserede sammenhængen mellem AFM-scanningsretningen og den observerede båndorientering. De opdagede, at SDS-båndene voksede let, når den relative vinkel mellem båndets vækstakse og scanningsretningen er større. Ud over, beregningsmæssige beregninger antydede, at adsorberede SDS-molekyler faktisk fjernes, når de er tvunget til at rotere under AFM-scanningsbetingelserne. Adsorberede SDS-molekyler med en relativt stor vinkel i forhold til AFM-spidsscanningsretningen roteres og fjernes let. Derfor, molekylerne adsorberet med små vinkler til AFM-spidsens scanningsretning fungerer som kernerne og vokser til at blive SDS-båndet.

På grundlag af deres forståelser, holdet forsøgte at konstruere perfekt afstemte SDS molekylære samlinger på grafen.

"Den sværeste del af denne forskning var, hvordan man kontrollerer væksten og retningen af ​​SDS-bånd med præcision, " siger Hong. "Når SDS-båndene var blevet dyrket, deres orienteringer ændrede sig ikke under AFM-scanningsbetingelserne. Vi var nødt til at udføre hurtige AFM-scanninger i tide lige efter det øjeblik, hvor SDS-molekyler injiceres i vandet på grafenoverfladen."

Under finjusterede AFM-scanningsforhold, det lykkedes dem at konstruere individuelle endimensionelle molekylære samlinger, som er justeret langs en valgt symmetriakse af grafengitteret.

"I AFM-analyse, de dynamiske mekaniske effekter på prøven ved AFM-spidsscanning er blevet anset for at være ugunstige, " siger Dr. Taishi Nishihara, en postdoc-forsker, der udførte de statistiske analyser og analyserede mekanismen i dette eksperiment. "Vores resultater om den skjulte nytte af virkningerne induceret af AFM tip scanning kan også give indsigt til andre forskere inden for forskellige relaterede områder."

"Den bedste del af denne forskning er, at vi var i stand til at vise, at AFM-scanningen kan inducere den 'symmetribrudende' effekt af det molekylære mønster på grafen, " siger Hong. "Det kan være meget vigtigt for væksten af ​​anisotrope molekylære mønstre på todimensionelle (2-D) materialer, såsom super gitter, som nu er essentielle i både akademisk og industriel forskning."

"Vores koncept med at bryde overfladesymmetrien kan anvendes til forskellige formål, såsom generering af molekylære kredsløb i molekylær elektronik og styring af cellekemotakse i biovidenskab, " siger Miyauchi.

"Vi håber, at vores opdagelse vil føre til et markant gennembrud inden for ikke kun kemi, men inden for beslægtede områder, der involverer molekylære nanostrukturer og deres tilpasning, " siger Itami, direktøren for JST-ERATO-projektet og centerdirektøren for ITbM.