Molekylært adlayer fremstillet ved opløsning af vanduopløseligt nanografen i vand

Selvom nanografen er uopløseligt i vand og organiske opløsningsmidler, Kumamoto University (KU) og Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) forskere har fundet en måde at opløse det i vand. Ved hjælp af "molekylære beholdere", der indkapsler vanduopløselige molekyler, forskerne udviklede en dannelsesprocedure for et nanograf adlayer, der kemisk interagerer med det underliggende stof, ved blot at blande de molekylære beholdere og nanografen sammen i vand. Metoden forventes at være nyttig til fremstilling og analyse af næste generations funktionelle nanomaterialer.

Grafen er et enkelt lag carbonatomer arrangeret i arkform. Det er lettere end metal med overlegne elektriske egenskaber, og har tiltrukket opmærksomhed som næste generations materiale til elektronik. Strukturelt defineret grafen i nano-størrelse, dvs. nanografen, har forskellige fysiske egenskaber fra grafen. Selvom nanografen er et attraktivt materiale til organiske halvledere og molekylære enheder, dens molekylære gruppe er uopløselig i mange opløsningsmidler, og dens grundlæggende fysiske egenskaber er ikke tilstrækkeligt forstået.

Miceller kan bruges til at opløse vanduopløselige stoffer i vand. Sæbe er et velkendt eksempel på en micelle. Når sæbemiceller blandes med vand, bobler, der er hydrofobe på indersiden og hydrofile på ydersiden, begynder at dannes. Disse bobler fanger oliebaseret snavs og gør det lettere at vaske væk med vand. Dr. Michito Yoshizawa fra Tokyo Tech brugte denne egenskab af miceller til at udvikle amfipatiske (molekyler, der har både hydrofobe og hydrofile egenskaber) micellekapsler. Yoshizawas arbejde udvides, forskere ved KU udviklede en micellekapsel til uopløselige grupper af nanografer.

KU -forskerne anvendte micellekapsler sammensat af specifikke kemiske strukturer (antracen) som molekylære beholdere og brugte dygtigt molekyleinteraktioner til effektivt at indtage nanografen -molekyler i kapslerne. Micelle -kapslerne fungerer som gaver fra julemanden, de stærkt hydrofobe nanografenmolekyler (legetøjet) inde i kapslen (æsken/indpakningspapiret) transporteres til overfladen af ​​guld (Au) substratet under vandet (juletræet). Micelkapslerne undergår derefter en ændring af molekylær tilstand (ligevægt) i den sure vandige opløsning. Nanografen, der var inde i micellen, adsorberes og organiseres på Au -substratet, da den uden sin 'beskyttende indpakning' ikke er opløst i vand.

Brug af et elektrokemisk scanningstunnelmikroskop (EC-STM), som løser materialeoverflader på atomniveau, forskerne har med succes observeret tre typer nanografenmolekyler (ovalen, circobiphenyl, og dicoronylen) i molekylær opløsning for første gang i verden. Billederne viste, at molekylerne, der blev adsorberet på Au-substratet, regelmæssigt blev justeret og dannede et stærkt ordnet 2-D molekylært adlayer.

Denne metode til fremstilling af molekylær adlayer anvender molekyler med opløselighedsbegrænsninger, men den kan også også bruges til andre typer molekyler. I øvrigt, det bør tiltrække opmærksomhed som en miljøvenlig teknologi, da det ikke kræver brug af skadelige organiske opløsningsmidler. Forskergruppen forventer, at den åbner nye døre inden for nanografisk videnskabelig forskning.

"For et par år siden, KU stod over for betydelige udfordringer på grund af Kumamoto -jordskælvene i 2016. Mens vi var ved at komme os over denne katastrofe, Tokyo Tech accepterede senior bachelorstuderende fra vores laboratorium som særlige revisorer. Dette kollaborative forskningsprojekt startede fra det tidspunkt. Resultaterne af dette arbejde er et direkte resultat af Tokyo Techs hurtige reaktion og venlige samarbejde under den vanskelige situation, vi stod over for her i Kumamoto. Vi værdsætter virkelig deres generøse hjælp, "sagde projektleder lektor Soichiro Yoshimoto fra Kumamoto University." Den metode, vi udviklede, kan også anvendes på en gruppe molekyler med en større kemisk struktur. Vi forventer at se dette arbejde føre til udviklingen af ​​molekylære ledninger, nye batterimaterialer, tyndfilm krystalvækst fra præcise molekylære designs, og yderligere belysning af grundlæggende fysiske egenskaber. "

Dette forskningsresultat blev offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition den 23 ^rd oktober 2018.