Onderzoekers hebben ontdekt hoe ze moleculen die aan grafeen zijn gehecht, kunnen controleren, de weg vrijmaken voor kleine biologische sensoren en apparaten om informatie vast te houden.

Grafeen is een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen in een honingraatarrangement. Door zijn unieke elektrische geleidbaarheid, grafeen heeft het potentieel om een ​​basis te zijn voor elektronische apparaten die slechts nanometers (miljardsten van een meter) groot zijn.

Om vellen grafeen af ​​te stemmen op bruikbaarheid in verschillende situaties, andere organische moleculen zijn aan het vel gehecht, en deze moleculen moeten op voorspelbare manieren interageren met de grafeenplaat.

Bijvoorbeeld, als de elektrische lading van moleculen zou kunnen worden gecontroleerd, dan zouden ze kunnen worden gebruikt als moleculaire 'schakelaars'. Schakelaars zijn belangrijk in elektronische apparaten die informatie opslaan, zoals harde schijven, waarbij de volgorde van 'aan' of 'uit' van de schakelaar informatie codeert, op een vergelijkbare manier als de enen en nullen van digitale informatie.

Onderzoekers hebben geëxperimenteerd met enkele moleculen op grafeenvellen, maar het was moeilijk om de resultaten te interpreteren en daarom apparaten te ontwerpen die profiteren van de interacties tussen de platen en moleculen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Prof Mike Crommie van de Universiteit van Californië, Berkeley en met inbegrip van onderzoekers van het Imperial College London hebben ontdekt hoe ze één eigenschap – de ladingstoestand – van afzonderlijke organische moleculen die aan grafeenplaten zijn bevestigd, kunnen controleren.

Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Ultrakleine schakelaar

Het team plaatste een molecuul tetrafluortetracyanoquinodimethaan (F4-TCNQ) op een grafeenvel en verhoogde de elektronendichtheid van het grafeen met behulp van een elektrisch veld. Met behulp van technieken genaamd scanning tunneling spectroscopie en atomic force microscopie, ze ontdekten dat het grafeen een deel van zijn elektronen doneert aan het organische F4-TCNQ-molecuul, de laadtoestand op een voorspelbare manier veranderen.

Dit inzicht zou wetenschappers in staat kunnen stellen om kleine, op grafeen gebaseerde elektronische apparaten te ontwerpen. Dokter Johannes Lischner, van het Department of Materials van Imperial, hielp bij het ontwikkelen van een deel van de theorie achter het systeem. Hij zei:"Een molecuul met een controleerbare ladingstoestand kan fungeren als een ultrakleine schakelaar, wat een fundamentele bouwsteen is van elektronische apparaten.

"Zo'n schakelaar zou kunnen worden gebruikt om informatie op te slaan, vergelijkbaar met flashgeheugen dat in USB-sticks wordt gebruikt. Alternatief, in een biologische sensor zou je theoretisch schakelbare moleculen kunnen gebruiken om de aanwezigheid van andere moleculen te detecteren, zoals kankercellen."

Het team breidt nu hun methode uit om paren moleculen en assemblages van kleine aantallen moleculen op grafeenvellen te onderzoeken, en kijken naar manieren om afzonderlijke moleculen aan het grafeen te verankeren om de fabricage van nieuwe apparaten te vereenvoudigen.