Natuurkundigen van de Universiteit van Umea hebben een efficiënte manier gevonden om grafeen-nanoribbons direct in enkelwandige koolstofnanobuizen te synthetiseren. Het resultaat is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.

grafeen, een één atoom dun vlokje gewone koolstof, heeft een breed scala aan ongewone en zeer interessante eigenschappen. Als geleider van elektriciteit presteert het even goed als koper. Als warmtegeleider presteert het beter dan alle andere bekende materialen. Er zijn mogelijkheden om sterke variaties van de grafeeneigenschappen te bereiken door grafeen te maken in de vorm van banden met verschillende breedtes, zogenaamde nanolinten. Deze nanolinten zijn nu het echte aandachtsgebied in de natuurkunde en een veelbelovend materiaal voor elektronica, zonnecellen en nog veel meer. Echter, het is niet eenvoudig geweest om dergelijke linten te maken.

Universitair hoofddocent Alexandr Talyzin en zijn onderzoeksgroep bij de afdeling Natuurkunde, Umea-universiteit, hebben samen met collega's van de groep van professor Esko Kauppinen, Aalto-universiteit in Finland, ontdekte een manier om de holle ruimte in koolstofnanobuizen te gebruiken als een eendimensionale chemische reactor om ingekapseld grafeen te maken. Een intrigerende eigenschap van deze ruimte is dat chemische reacties hier anders verlopen dan onder bulk driedimensionale omstandigheden.

"We gebruikten coroneen en peryleen, die grote organische moleculen zijn, als bouwstenen om lange en smalle grafeen-nanoribbons in de buizen te produceren. Het idee om deze moleculen te gebruiken als bouwstenen voor grafeensynthese was gebaseerd op onze eerdere studie, ' zegt Alexandr Talyzin.

Deze studie onthulde dat coroneenmoleculen onder bepaalde omstandigheden met elkaar kunnen reageren om dimeren te vormen, trimeren en langere moleculen in poedervorm. Het resultaat suggereerde dat coroneenmoleculen mogelijk kunnen worden gebruikt voor de synthese van grafeen, maar op de een of andere manier in één vlak moeten worden uitgelijnd voor de vereiste reactie. De binnenruimte van enkelwandige koolstofnanobuisjes leek een ideale plek om moleculen in de edge-to-edge geometrie te dwingen die nodig is voor de polymerisatiereactie.

In de nieuwe studie de onderzoekers laten zien dat dit kan. Toen de eerste monsters werden waargenomen door elektronenmicroscopie door Ilya Anoshkin aan de Aalto University, spannende resultaten werden onthuld:alle nanobuisjes waren van binnen gevuld met grafeen nanoribbons.

"Het succes van de experimenten hing ook sterk af van de keuze van nanobuisjes. Nanobuisjes met een geschikte diameter en van hoge kwaliteit werden geleverd door onze co-auteurs van de Aalto University, ' zegt Alexandr Talyzin.

Later ontdekten de onderzoekers dat de vorm van ingekapselde grafeen nanoribbons kan worden gewijzigd door verschillende soorten aromatische koolwaterstoffen te gebruiken. De eigenschappen van nanolinten zijn zeer verschillend, afhankelijk van hun vorm en breedte. Bijvoorbeeld, nanolinten kunnen van metaal of halfgeleidend zijn, afhankelijk van hun breedte en type. interessant, koolstofnanobuisjes kunnen ook van metaal zijn, halfgeleidend (afhankelijk van hun diameter) of isolerend indien chemisch gewijzigd.

"Dit creëert een enorm potentieel voor een breed scala aan toepassingen. We kunnen in de toekomst hybriden maken die grafeen en nanobuisjes combineren in alle mogelijke combinaties, ' zegt Alexandr Talyzin.

Bijvoorbeeld, metalen nanolinten in isolerende nanobuizen zijn zeer dunne geïsoleerde draden. Ze kunnen direct in koolstofnanobuizen worden gebruikt om licht te produceren en zo nanolampen te maken. Halfgeleidende nanolinten kunnen mogelijk worden gebruikt voor transistors of zonneceltoepassingen en metaal-metaalcombinatie is in feite een nieuw soort coaxiale nanokabel, macroscopische kabels van dit type worden b.v. voor het verzenden van radiosignalen.

De nieuwe methode van hybride synthese is heel eenvoudig, gemakkelijk schaalbaar en maakt het mogelijk buizen voor bijna 100 procent te vullen met nanolinten. De theoretische simulaties, uitgevoerd door Arkady Krasheninnikov in Finland, laten ook zien dat de grafeen-nanoribbons hun unieke eigenschappen in de nanobuisjes behouden, terwijl ze worden beschermd tegen de omgeving door inkapseling en uitgelijnd in bundels van enkelwandige nanobuisjes.

"Het nieuwe materiaal lijkt veelbelovend, maar we hebben veel interdisciplinair werk voor de boeg op het gebied van natuurkunde en scheikunde. Het materiaal synthetiseren is slechts een begin. Nu willen we zijn elektrische leren, magnetische en chemische eigenschappen en hoe de hybriden te gebruiken voor praktische toepassingen, ' zegt Alexandr Talyzin.