Als je naar een cadeau ingepakt kijkt, de basiseigenschappen van het inpakpapier - zeg, de kleuren en textuur ervan - worden over het algemeen niet veranderd door de aard van het geschenk dat erin zit.

Maar verrassende nieuwe experimenten uitgevoerd aan het MIT laten zien dat een materiaal van één atoom dik, grafeen genaamd, een vorm van pure koolstof waarvan de atomen zijn verbonden in een kippengaasachtig rooster, gedraagt ​​zich heel anders, afhankelijk van de aard van het materiaal waar het omheen is gewikkeld. Wanneer vellen grafeen op substraten van verschillende materialen worden geplaatst, fundamentele eigenschappen - zoals hoe het grafeen elektriciteit geleidt en hoe het chemisch interageert met andere materialen - kunnen drastisch verschillen, afhankelijk van de aard van het onderliggende materiaal.

"We waren nogal verrast" om dit veranderde gedrag te ontdekken, zegt Michael Strano, de Charles en Hilda Roddey Professor of Chemical Engineering aan het MIT, wie is de hoofdauteur van een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd? Natuurchemie . "We hadden verwacht dat het zich zou gedragen als grafiet" - een bekende vorm van koolstof, gebruikt om het lood in potloden te maken, waarvan de structuur in wezen bestaat uit meerdere lagen grafeen die op elkaar zijn gestapeld.

Maar zijn gedrag bleek heel anders te zijn. “Grafeen is heel vreemd, ', zegt Strano. Door zijn extreme dunheid, in de praktijk wordt grafeen bijna altijd bovenop een ander materiaal geplaatst ter ondersteuning. Als dat materiaal eronder siliciumdioxide is, een standaardmateriaal dat wordt gebruikt in de elektronica, het grafeen kan gemakkelijk "gefunctionaliseerd" worden wanneer het wordt blootgesteld aan bepaalde chemicaliën. Maar als grafeen op boornitride zit, het reageert nauwelijks op dezelfde chemicaliën.

“Het is heel contra-intuïtief, ', zegt Strano. "Je kunt het vermogen van grafeen om chemische bindingen te vormen uit- en inschakelen, op basis van wat eronder zit."

De reden, het blijkt, is dat het materiaal zo dun is dat de manier waarop het reageert sterk wordt beïnvloed door de elektrische velden van atomen in het materiaal eronder. Dit betekent dat het mogelijk is om apparaten te maken met een substraat met micropatronen - bestaande uit sommige siliciumdioxidegebieden en sommige bedekt met boornitride - bedekt met een laag grafeen waarvan het chemische gedrag dan zal variëren afhankelijk van de verborgen patronen. Dit zou kunnen, bijvoorbeeld, de productie van microarrays van sensoren om biologische of chemische sporenmaterialen te detecteren.

Qing Hua Wang, een MIT-postdoc die de hoofdauteur van het artikel is, zegt, "Je zou verschillende moleculen van een delicate biologische marker kunnen laten interageren [met deze gebieden op het grafeenoppervlak] zonder de biomoleculen zelf te verstoren." De meeste huidige fabricagetechnieken voor dergelijke patroonoppervlakken omvatten warmte en reactieve oplosmiddelen die deze gevoelige biologische moleculen kunnen vernietigen.

uiteindelijk, grafeen kan zelfs een beschermende coating worden voor veel materialen, zegt Strano. Bijvoorbeeld, het één-atoom-dikke materiaal, wanneer gebonden aan koper, elimineert volledig de neiging van dat metaal om te oxideren (wat het karakteristieke blauwgroene oppervlak van koperen daken produceert). “Het kan de corrosie volledig uitschakelen, "zegt hij, "bijna als magie ... met slechts het gefluister van een coating."

Om uit te leggen waarom grafeen zich gedraagt ​​zoals het zich gedraagt, "we kwamen met een nieuwe elektronenoverdrachtstheorie" die verklaart hoe het wordt beïnvloed door het onderliggende materiaal, zegt Strano. “Veel chemici hadden dit gemist, ” en als gevolg daarvan was verward door schijnbaar onvoorspelbare veranderingen in hoe grafeen reageert in verschillende situaties. Dit nieuwe begrip kan ook worden gebruikt om het gedrag van het materiaal op andere substraten te voorspellen, hij zegt.

James-tour, een professor in de chemie en informatica aan de Rice University die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt, “Dit is de eerste systematische studie van het effect van het substraat op de chemische reactiviteit van grafeen. Dit is een zeer zorgvuldig uitgevoerd onderzoek met overtuigende resultaten. Ik voorspel dat het een veel geciteerde publicatie wordt.”

Wang voegt eraan toe dat "het een vrij algemeen resultaat is" dat kan worden gebruikt om het chemische gedrag van veel verschillende configuraties te voorspellen. "We denken dat andere groepen dit idee kunnen gebruiken en er echt andere dingen mee kunnen ontwikkelen, ' zegt ze. Tour gaat akkoord, gezegde, "De grafeengevoelige gemeenschap zal door dit werk worden geïnspireerd om veel meer substraten te verkennen in een poging de grafeenreactiviteit te optimaliseren."

Wat het MIT-team betreft, ze zegt, “de volgende stap is we graven in de details van hoe dubbellaags grafeen reageert. Het lijkt zich anders te gedragen” dan het enkellaagse materiaal.