(Phys.org) — Wetenschappers hebben een veelbelovend nanomateriaal ontwikkeld dat kan worden aangepast voor gebruik in een breed scala aan toepassingen. Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van het Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL) en het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam-Golm heeft een elegante methode ontwikkeld om zelfgeorganiseerde koolstofnanolagen te produceren en deze chemisch uit te rusten met een reeks van functies. Van dergelijke gefunctionaliseerde koolstofnanolagen wordt aangenomen dat ze geschikt zijn voor verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld, ze kunnen fungeren als coatings die oppervlakken zowel krasvast als vuilafstotend maken, of als sensoren voor de detectie van zeer kleine hoeveelheden stoffen. De elektrische geleidbaarheid van koolstoflagen maakt ze ook geschikt voor gebruik als elektronische componenten in verschillende toepassingen.

In de technologie van morgen, iets onvoorstelbaar kleins zou wel eens een reus kunnen worden. Wetenschappers onderzoeken vele varianten van nanomaterialen, namelijk stoffen met afmetingen in het bereik van 100 nanometer. Het voorvoegsel nano komt van het Griekse woord voor dwerg, en verwijst naar een miljardste deel. Dus, een nanometer is een miljardste van een meter. Wetenschappers zijn erg ingenomen met één bepaald materiaal dat in deze dimensies voorkomt:koolstofnanolagen. Dit zijn honingraatachtige lagen koolstofatomen van enkele nanometers dik – of zelfs minder. De dunst denkbare koolstofnanolagen van dit soort zijn grafenen, die uit een enkele laag koolstof bestaan.

Voor veel toepassingen, het zou belangrijk zijn om deze ultradunne koolstofplaten te kunnen uitrusten met bepaalde chemische molecuulresten, functionele groepen genoemd. "Dit is tot nu toe slechts in beperkte mate mogelijk geweest omdat koolstofnanobladen meestal alleen bij extreem hoge temperaturen kunnen worden vervaardigd - en, daarom, onder omstandigheden die dergelijke functionele groepen onmiddellijk zouden vernietigen, " legt Gerald Brezesinski van het Max Planck Instituut voor Colloïden en Interfaces in Golm bij Potsdam uit. Samen met collega's van zijn instituut, Brezesinski heeft onderzoekers van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Lausanne (EPFL) ondersteund bij het ontwikkelen van een synthesebenadering die in dit verband interessant zou kunnen zijn. Met behulp van deze methode, koolstof nanolagen, inclusief functionele groepen, toegankelijk zijn bij aanzienlijk lagere temperaturen dan die welke gewoonlijk worden toegepast bij de productie van dergelijke materialen.

Diep in de zak met chemische trucs duiken

Om uit koolstofatomen een vlakke structuur te vormen, de Zwitserse onderzoekers gebruikten een reeks trucs. Een van de belangrijkste betrof de geselecteerde uitgangsverbinding, een molecuul waarvan het middelste gedeelte zes afwisselende koolstof-koolstof drievoudige en enkelvoudige bindingen heeft. Deze secties bestaan ​​uitsluitend uit koolstofatomen en zijn zeer reactief, omdat ze ook bij lagere temperaturen chemische reacties kunnen ondergaan. In tegenstelling tot andere processen, hierdoor kunnen bij kamertemperatuur uit deze moleculen dunne koolstoflagen worden gemaakt.

Met behulp van een speciale testopstelling de wetenschappers zorgden ervoor dat veel van deze moleculen perfect parallel aan elkaar werden uitgelijnd in een enkele zelfgeorganiseerde laag - zoals de borstelharen op een borstel. Echter, er was één klein verschil met de borstelharen:de parallelle ketens van moleculen hadden elk een lichte buiging. Als gevolg van deze regeling, de koolstofrijke secties van alle moleculen bevonden zich op hetzelfde niveau. Toen de onderzoekers UV-licht toepasten op deze opstelling, sommige van de drievoudige bindingen braken uit en in plaats daarvan werden er bindingen gevormd tussen de koolstofatomen van naburige moleculen. Omdat bijna alle borstelharen daardoor uiteindelijk verbonden waren met hun naburige borstelharen, er ontstond een consistente laag koolstofatomen - een koolstofnanolaag.

Om dit alles mogelijk te maken, de wetenschappers uit Lausanne moesten duidelijk diep graven in de doos met chemische trucs voor het ontwerp van de moleculaire voorloper. Om de parallelle rangschikking van hun moleculen te verzekeren, ze bedachten surfactant-achtige moleculen, vergelijkbaar met die in afwasmiddel. Terwijl het ene uiteinde van dergelijke moleculen goed oplost in water, de andere lost helemaal niet op. Tussen deze twee uiteinden, de wetenschappers plaatsten de reactieve drievoudige bindingen.

Toen ze hun compound op dit punt in contact brachten met water, slechts één uiteinde van het molecuul loste op. Het gehele resterende residu was zo onoplosbaar dat het vanaf het oppervlak in de lucht uitstak. De onderzoekers slaagden erin om bewust een uniforme afstand tussen de afzonderlijke moleculaire borstelharen in te stellen. Op het niveau van de drievoudige bindingen, deze moest kleiner zijn dan 0,4 nanometer, omdat de naburige koolstofatomen in dit geval alleen dicht genoeg bij elkaar zijn om onder UV-licht nieuwe bindingen met elkaar te vormen.

Succes van syntheseproces bevestigd door zeer gespecialiseerde analyse

Voor de wetenschappers, het was belangrijk om te begrijpen hoe de moleculaire laag langs de water-luchtgrens er eigenlijk uitzag, en hoe het veranderde in de loop van de reactie. Hier kwamen speciale methoden om de hoek kijken, die deel uitmaken van het repertoire van Gerald Brezesinski en zijn onderzoeksgroep aan het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam. Bijvoorbeeld, om de positie van de relevante atomen in de grenslaag te detecteren - en dus ook de exacte rangschikking van de startmoleculen - gebruikten de onderzoekers hoogenergetische röntgenstralen van de DESY-synchrotron in Hamburg. De manieren waarop deze bundels werden verstrooid of gereflecteerd op de flinterdunne monsterlaag, leverden Gerald Brezesinski en zijn collega Cristina Stefaniu uiteindelijk op, die nu aan de Universiteit van Potsdam werkt, met informatie over de exacte rangschikking van de uitgangsmoleculen.

Met behulp van infrarood reflectie-absorptie spectroscopie, de wetenschappers slaagden er later in om de daadwerkelijke reactie tijdens de UV-bestraling te traceren. Om dit te doen, ze maten hoe het karakteristieke signaal van de drievoudige bindingen in de loop van de reactie continu afnam. Een heel speciale techniek die door de onderzoekers in Potsdam werd gebruikt, was hierbij behulpzaam. Alleen met behulp van deze techniek konden storende invloeden van de aanwezige watermoleculen worden gemaskeerd. "Er zijn maar een paar onderzoeksgroepen in de wereld die dit soort infraroodspectroscopie in dergelijke lagen zichtbaar kunnen maken, " benadrukt Gerald Brezesinski.

Speciale technieken die werden gebruikt door de Max Planck-onderzoekers uit Potsdam bleken ook nuttig bij het karakteriseren van het resulterende product. Deze omvatten, bijvoorbeeld, de Brewster-hoekmicroscopie, die ongeveer 20 jaar geleden werd ontwikkeld aan het Max Planck Instituut voor Biofysische Chemie in Göttingen. Met behulp van deze microscoop konden de onderzoekers aantonen dat het product een zeer homogene gladde laag was, die in totaal twee nanometer dik is – en, daarom, eigenlijk een koolstof nanolaag.

Gerald Brezesinski van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam was ook blij met dit succes:"Dit betekent dat het echt mogelijk is om oppervlakteactieve stofachtige moleculen zo te ontwerpen dat ze kunnen worden gebruikt bij de synthese van een koolstoflaag op een wateroppervlak. Met behulp van onze methoden hebben we dit kunnen bewijzen."

Uitgangspunt voor "functionele koolstof nanolagen"

Aan het einde van het syntheseproces, de uiteinden van de startmoleculen staken nog uit de nanolaag - het in water oplosbare uiteinde aan de ene kant en het onoplosbare uiteinde aan de andere. Deze specifieke factor is uiterst belangrijk voor de onderzoekers, omdat het de mogelijkheid creëert om chemische groepen aan het uiteinde te hechten voorafgaand aan de synthese die de daaropvolgende koolstofnanolaag een speciale functie zullen geven. De chemische appendages zouden het milde productieproces onbeschadigd doorstaan, en zou ook worden geconserveerd in de resulterende koolstofnanolaag.

Op deze manier, bijvoorbeeld, het zou mogelijk zijn om aan één kant chemische groepen te verankeren die later de verbinding met bepaalde oppervlakken van glas of metaal zouden ondersteunen. Aan de andere kant zouden ook groepen kunnen worden bevestigd die de laag vuilafstotend zouden maken. De koolstoflaag zelf zou het oppervlak ook zeer krasbestendig maken. Uit zulke flinterdunne lagen zouden ook chemische nanosensoren kunnen worden geconstrueerd. Hiertoe, In de uitgangsmoleculen zouden chemische groepen kunnen worden geïntegreerd die later zorgen voor de interactie met de te meten stof of stofgroep. De hoge elektrische geleidbaarheid van koolstofnanolagen zou dan kunnen worden gebruikt voor de overdracht van de meetsignalen. De onderzoekers uit Lausanne en Potsdam hopen daarom dat hun innovatieve proces voor de productie van zelfgeorganiseerde en functionele koolstofnanolagen de weg vrijmaakt voor een groot aantal interessante nieuwe toepassingen.