De toekomst werd helder voor de organische chemie toen onderzoekers van Rice University een zeer controleerbare manier vonden om organische moleculen aan ongerept grafeen te hechten, waardoor het wondermateriaal geschikt is voor tal van nieuwe toepassingen.

Het rijstlab van scheikundige James Tour, voortbouwend op een reeks eerdere vondsten in de manipulatie van grafeen, ontdekte een tweestapsmethode die een enkel atoom dik vel koolstof veranderde in een superrooster voor gebruik in de organische chemie. Het werk zou kunnen leiden tot vooruitgang in op grafeen gebaseerde chemische sensoren, thermo-elektrische apparaten en metamaterialen.

Het werk verscheen deze week in het online tijdschrift Natuurcommunicatie .

Grafeen alleen is inert voor veel organische reacties en, als een halfmetaal, heeft geen bandgap; dit beperkt het nut ervan in de elektronica. Maar het project onder leiding van de Zhengzong Sun and Rice-afgestudeerde Cary Pint van het Tour Lab, nu onderzoeker bij Intel, aangetoond dat grafeen, het sterkste materiaal dat er is vanwege de robuuste aard van koolstof-koolstofbindingen, geschikt kunnen worden gemaakt voor nieuwe vormen van chemie.

Tot nu toe was er geen manier om moleculen te hechten aan het basisvlak van een vel grafeen, zei Tour, Rice's TT en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica. "Ze gingen meestal naar de randen, niet het interieur, " zei hij. "Maar met deze tweestapstechniek, we kunnen grafeen hydrogeneren om een ​​bepaald patroon te maken en vervolgens moleculen hechten aan waar die waterstofatomen waren.

"Dit is handig om te maken, bijvoorbeeld, chemische sensoren waarin je peptiden wilt, DNA-nucleotiden of sacchariden die op discrete plaatsen langs een apparaat naar boven worden geprojecteerd. De reactiviteit op die plaatsen is erg snel in vergelijking met het plaatsen van moleculen net aan de randen. Nu mogen we kiezen waar ze heen gaan."

De eerste stap in het proces was het creëren van een lithografisch patroon om de hechting van waterstofatomen aan specifieke domeinen van de honingraatmatrix van grafeen te induceren; deze herstructurering veranderde het in een tweedimensionaal, halfgeleidend superrooster, grafaan genaamd. De waterstofatomen werden gegenereerd door een hete gloeidraad met behulp van een benadering ontwikkeld door Robert Hauge, een vooraanstaande faculteitsgenoot in chemie bij Rice en co-auteur van het papier.

Het lab toonde zijn vermogen om grafeen te stippen met fijn bewerkte grafaaneilanden toen het microscopische tekst liet vallen en een afbeelding van Rice's klassieke Owl-mascotte, ongeveer drie keer de breedte van een mensenhaar, op een klein velletje en spin-coated het met een fluorofoor. Grafeen dooft op natuurlijke wijze fluorescerende moleculen, maar grafaan niet, dus de uil lichtte letterlijk op toen hij werd bekeken met een nieuwe techniek genaamd fluorescentie-quenching microscopie (FQM).

Met FQM konden de onderzoekers patronen zien met een resolutie van slechts één micron, de limiet van de conventionele lithografie die voor hen beschikbaar is. Fijnere patronen zijn mogelijk met de juiste apparatuur, redeneerden ze.

In de volgende stap, het laboratorium stelde het materiaal bloot aan diazoniumzouten die spontaan de koolstof-waterstofbindingen van de eilanden aanvielen. De zouten hadden het interessante effect van het elimineren van de waterstofatomen, waardoor een structuur van koolstof-koolstof sp3-bindingen achterblijft die meer vatbaar zijn voor verdere functionalisering met andere organische stoffen.

"Wat we met dit papier doen, is van het grafeen-grafaan-superrooster naar een hybride gaan, een ingewikkelder superrooster, " zei Zon, die onlangs promoveerde bij Rice. "We willen functionele veranderingen aanbrengen in materialen waar we de positie kunnen controleren, de soorten obligaties, de functionele groepen en de concentraties.

"In de toekomst - en het kan jaren duren - zou je een apparaat moeten kunnen maken met een soort functionele groei op het ene gebied en een andere functionele groei op een ander gebied. Ze zullen anders werken, maar nog steeds deel uitmaken van één compact, goedkoop apparaat, " zei hij. "In het begin, er was heel weinig organische chemie die je met grafeen kon doen. Nu kunnen we bijna alles. Dat biedt veel mogelijkheden."