Een internationaal onderzoeksteam met leden van de Universiteit van Linköping, onder andere de Technische Universiteit van München en het Deutsches Museum, heeft een methode ontwikkeld om tweedimensionale polymeren te vervaardigen met de dikte van een enkel molecuul. De polymeren worden door inwerking van licht op een oppervlak gevormd. De ontdekking maakt de weg vrij voor nieuwe ultradunne en functionele materialen, en is gepubliceerd in Natuurchemie .

De zoektocht naar nieuwe tweedimensionale materialen is snel geïntensiveerd na de ontdekking van grafeen - een supermateriaal waarvan de uitstekende eigenschappen een hoge geleidbaarheid en sterkte omvatten, waardoor het ongelooflijk veelzijdig is. Er worden twee hoofdbenaderingen gebruikt om ultradunne materialen te maken. In de eerste, een continue laag moleculen of atomen wordt "afgepeld" van het grootste deel van het materiaal. Grafeen is een voorbeeld van zo'n materiaal.

De andere benadering, in tegenstelling tot, omvat de constructie van het materiaal molecuul voor molecuul door op verschillende manieren bindingen tussen de moleculen te produceren. Het probleem is dat de materialen vaak klein zijn, kwetsbaar en bevatten veel gebreken. Dit beperkt de mogelijke toepassingsgebieden.

Een internationaal onderzoeksteam met leden van de Universiteit van Linköping, de Technische Universiteit van München en het Deutsches Museum, onder andere, heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld om tweedimensionale polymeren te vervaardigen. De ontdekking maakt het mogelijk om nieuwe ultradunne functionele materialen te ontwikkelen met sterk gedefinieerde en regelmatige kristallijne structuren.

De vervaardiging, of polymerisatie, van het materiaal gebeurt in twee stappen. De onderzoekers gebruiken een molecuul dat bekend staat als 'fantrip' - een samentrekking van 'gefluoreerd anthraceentriptyceen'. Dit molecuul is een samensmelting van twee verschillende koolwaterstoffen:antraceen en triptyceen. De specifieke eigenschappen van fantrip zorgen ervoor dat de moleculen zichzelf spontaan rangschikken in een patroon dat geschikt is voor fotopolymerisatie wanneer ze op een grafietoppervlak worden geplaatst dat bedekt is met een alkaan. Dit proces staat bekend als 'zelforganisatie'.

De volgende stap is de fotopolymerisatie zelf, wanneer het patroon met behulp van licht moet worden vastgezet. De moleculen worden belicht door een violette laser die de elektronen in de buitenste elektronenschil exciteert. Hierdoor ontstaan ​​sterke en duurzame covalente bindingen tussen de moleculen. Het resultaat is een poreus tweedimensionaal polymeer, een halve nanometer dik, bestaande uit enkele honderdduizenden moleculen die identiek aan elkaar zijn gekoppeld, met andere woorden, een materiaal met bijna perfecte orde, tot op atomair niveau.

"Het creëren van covalente bindingen tussen moleculen vereist veel energie. De meest gebruikelijke manier om energie te leveren is om de temperatuur te verhogen, maar hierdoor komen ook de moleculen in beweging. Dus het werkt niet met zelfgeorganiseerde moleculen, omdat het patroon zou vervagen. Door licht te gebruiken om covalente bindingen te creëren, behoudt het patroon en fixeert het precies zoals we het willen, " zegt Markus Lackinger, onderzoeksgroepleider aan het Deutsches Museum en de Technische Universiteit van München.

Aangezien de fotopolymerisatie wordt uitgevoerd op een oppervlak van vast grafiet, het is mogelijk om het proces op moleculaire schaal te volgen met behulp van scanning tunneling microscopie. Dit toont de nieuw gevormde banden in een persistent netwerk. Om de structuurtoewijzing te bevestigen, de onderzoeksgroep heeft het uiterlijk van de moleculaire netwerken in de microscoop in verschillende stadia van de reactie gesimuleerd.

Jonas Björk is universitair docent bij de afdeling Materials Design van de afdeling Natuurkunde, Scheikunde en biologie aan de Universiteit van Linköping. Hij heeft krachtige computerbronnen in het National Supercomputer Center in Linköping gebruikt om de experimenten te valideren en de belangrijkste factoren te begrijpen die de methode succesvol maken.

"We zien dat de simulaties tot in het kleinste detail goed overeenkomen met de werkelijkheid, en we kunnen ook begrijpen waarom ons specifieke systeem zulke nuttige resultaten geeft. De volgende stap van het onderzoek is of de methode gebruikt kan worden om andere moleculen aan elkaar te koppelen voor nieuwe tweedimensionale en functionele materialen. Door de methode te verbeteren, we zullen ook in staat zijn om het type ultradunne materialen dat we willen produceren te controleren en op maat te maken, ', zegt Jonas Björk.

De polymerisatie vindt plaats in een vacuüm, die ervoor zorgt dat het materiaal niet wordt verontreinigd. Echter, de uiteindelijke tweedimensionale polymeerfilm is ook stabiel onder atmosferische omstandigheden, wat een voordeel is voor toekomstige toepassingen. Markus Lackinger gelooft dat het materiaal veel denkbare toepassingen zal vinden.

"De meest voor de hand liggende toepassing is om het materiaal als filter of membraan te gebruiken, maar toepassingen waar we op dit moment geen idee van hebben in geheel andere contexten kunnen aan de horizon verschijnen, ook toevallig. Dit is waarom fundamenteel onderzoek zo opwindend is, ", zegt Markus Lackinger.