Onderzoekers van het Centrum voor Multidimensionale Koolstofmaterialen, binnen het Institute for Basic Science (IBS) van het Ulsan National Institute of Science and Technology een nieuwe methode onthuld om chemische groepen toe te voegen aan (dat wil zeggen, om enkellaags (SLG) en dubbellaags (BLG) grafeen dat op silica/silicium ligt te "functionaliseren". Deze studie, onlangs online gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ) suggereert ook hoe gedecoreerd grafeen dient als een platform om 2D-materialen met nieuwe eigenschappen te produceren.

Een enkele laag koolstofatomen verpakt in een honingraatrooster, genaamd grafeen, is een van de meest veelzijdige materialen ooit gemaakt. Zijn uitstekende warmte- en elektriciteitsgeleiding, gecombineerd met lichtheid en kracht, bieden overtuigende mogelijkheden voor een verscheidenheid aan nuttige functies.

Om de eigenschappen van grafeen beter af te stemmen, het gebruik van gefunctionaliseerd grafeen, dat is grafeen versierd met andere chemische groepen, heeft veel onderzoeksinteresse gewekt. Dergelijk gefunctionaliseerd grafeen zou kunnen worden toegepast op transistors, sensoren, supercondensatoren, medicijnafgifte, flexibele elektroden en polymeer nanocomposieten.

Functionalisatie van SLG op silica/silicium is eerder gemeld, maar wanneer een BLG wordt gebruikt, de reactie blijkt veel gecompliceerder te zijn. BLG heeft een verschillende reactiviteit omdat twee grafeenlagen aan elkaar hechten door wat bekend staat als van der Waals-krachten, maken BLG chemisch stabieler en zelfs onreactief voor sommige reacties. Bijkomende fascinerende aspecten zijn de reactiviteit van elk van de lagen in BLG en andere factoren die de reactie kunnen beïnvloeden.

Om de reactie van SLG en BLG te vergelijken en te contrasteren, het team produceerde onberispelijke monsters van SLG en BLG en maakte ze gevoeliger voor reactie door ze onder te dompelen in een mengsel van natrium-kaliumlegering (NaK) en een ringvormig kroonethermolecuul (15-kroon-5) in tetrahydrofuran (THF) . Deze oplossing vormt een negatief geladen natriumion (Na-), dat grafeen reduceert door er elektronen aan af te staan, en laat SLG en BLG gemakkelijker reageren met andere moleculen.

Met behulp van deze reactie, IBS-onderzoekers hebben aangetoond dat hoewel BLG minder reactief is dan SLG, beide kunnen worden gefunctionaliseerd. Bovendien, door een BLG te gebruiken met een laag normale koolstof en een andere laag koolstofisotoop-gelabelde koolstof (13C), de wetenschappers verduidelijkten dat zowel de bovenste als de onderste lagen van grafeen zijn versierd.

Het team toonde ook aan dat gefunctionaliseerd grafeen verdere chemische reacties kan ondergaan met andere moleculen, die er anders nauwelijks aan zou binden voor de gebruikte reactieomstandigheden. Bijvoorbeeld, grafeen gefunctionaliseerd met 4-joodpyridine kan dan verder reageren met benzylbromide. Dit is een bijzonder interessante benadering, omdat grafeen versierd met benzylbromide kan worden gebruikt voor sensoren en kan worden versierd met meer chemische groepen, de 'toolkit' aan opties sterk uitbreiden.

"We voorzien dat deze methode en dit platform zullen bijdragen aan het uitbreiden van het toepassingsbereik van grafeen, " zegt Rodney S. Ruoff, corresponderende auteur van het artikel.