Concentrische zeshoeken van grafeen die in een oven aan de Rice University zijn gegroeid, vertegenwoordigen de eerste keer dat iemand grafeen-nanoribbons van onderaf op metaal heeft gesynthetiseerd - atoom voor atoom.

Zoals te zien onder een microscoop, de lagen deden denken aan uien, zei Rice scheikundige James Tour, totdat een collega suggereerde dat plat grafeen nooit als een ui zou kunnen zijn.

"Dus ik zei, 'OKE, dit zijn uienringen, ', grapte Tour.

De naam is blijven hangen, en de opmerkelijke ringen waarvan chemici zich verwonderden dat ze zelfs mogelijk waren, worden beschreven in een nieuw artikel in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De uitdaging was om erachter te komen hoe zoiets kon groeien, zei toer. Gebruikelijk, grafeen dat in een hete oven door chemische dampafzetting wordt gekweekt, begint op een zaadje - een stofje of een bult op een koperen of ander metalen oppervlak. Eén koolstofatoom hecht zich aan het zaad in een proces dat kiemvorming wordt genoemd en andere volgen om het bekende kippengaasraster te vormen.

Experimenten in het lab van Tour om te zien hoe grafeen onder hoge druk en in een waterstofrijke omgeving groeit, leverden de eerste ringen op. Onder die omstandigheden, Tour, Rijsttheoretisch fysicus Boris Yakobson en hun teams ontdekten dat de hele rand van een snelgroeiend vel grafeen een kiemplaats wordt wanneer het wordt gehydrogeneerd. De rand laat koolstofatomen onder de grafeenhuid komen, waar ze een nieuw blad beginnen.

Maar omdat het bovenste grafeen zo snel groeit, het stopt uiteindelijk de stroom van koolstofatomen naar het nieuwe blad eronder. De bodem stopt met groeien, een grafeenring achterlatend. Dan herhaalt het proces zich.

"Het mechanisme vertrouwt op die bovenste laag om te voorkomen dat koolstof zo gemakkelijk de bodem bereikt, " zei Tour. "Wat we krijgen is een veelvoud van enkele kristallen die op elkaar groeien."

Het Tour-lab was in 2009 een pionier in de massaproductie van grafeen-nanoribbons van één atoom dik met de ontdekking dat koolstofnanobuisjes chemisch konden worden "uitgepakt" in lange, dunne vellen. Nanoribbons worden bestudeerd voor gebruik in batterijen en geavanceerde elektronica en als koellichaam.

"Meestal maak je een lint door een groot ding te nemen en het af te knippen, " zei Tour. "Maar als je een lint van onder naar boven kunt laten groeien, je zou controle kunnen hebben over de randen." De atomaire configuratie aan de rand helpt bij het bepalen van de elektrische eigenschappen van grafeen. De randen van hexagonale grafeen-uiringen zijn zigzaggen, die de ringen metaalachtig maken.

"Het grote nieuws hier, " hij zei, "is dat we de relatieve druk van de groeiomgeving van waterstof versus koolstof kunnen veranderen en geheel nieuwe structuren kunnen krijgen. Dit is dramatisch anders dan gewoon grafeen."

Afgestudeerde student Zheng Yan, een lid van Tour's lab en hoofdauteur van het artikel, ontdekte de nieuwe route naar nanoribbons terwijl hij experimenteerde met grafeengroei onder waterstof die in verschillende mate onder druk stond. De goede plek voor ringen was 500 Torr, hij zei.

Verdere testen vonden dat de microscopische ringen onder en niet bovenop het vel werden gevormd, en het laboratorium van Yakobson bevestigde het groeimechanisme door middel van eerste-principe berekeningen. Yan also determined the top sheet of graphene could be stripped away with argon plasma, leaving stand-alone rings.

The width of the rings, which ranged from 10 to 450 nanometers, also affects their electronic properties, so finding a way to control it will be one focus of continued research, Tour said. "If we can consistently make 10-nanometer ribbons, we can begin to gate them and turn them into low-voltage transistors, " he said. They may also be suitable for lithium storage for advanced lithium ion batteries, hij zei.