Een groep wetenschappers van de Universiteit van Nagoya heeft een eenvoudige en krachtige methode ontwikkeld om perfect unidirectionele moleculaire assemblagestructuren op grafenen te construeren, volgens een studie gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten . Per ongeluk ontdekt tijdens ander onderzoek, de methode is gebaseerd op een gemeenschappelijk laboratoriuminstrument, atoomkrachtmicroscopie (AFM), om de moleculaire uitlijning te controleren.

grafeen, dat zijn platen gemaakt van koolstof, trekt brede belangstelling van veel wetenschappers als een krachtige kandidaat voor de volgende generatie elektronicamaterialen vanwege hun unieke eigenschappen. De ontwikkeling van een betrouwbare methode die de perfecte uitlijning van moleculen of moleculaire assemblages op een grafeenoppervlak mogelijk maakt, kan de weg wijzen om de elektrische eigenschappen van grafeen af ​​te stemmen, en om de prestaties van op grafeen gebaseerde elektronische apparaten te verbeteren. Hoewel er de afgelopen jaren veel onderzoek is gedaan, de groei van goed uitgelijnde moleculaire nanostructuren uitsluitend langs een gewenste richting is nog steeds moeilijk. Dit komt omdat het grafeenoppervlak drievoudige symmetrie heeft, die thermodynamisch gelijkwaardig zijn aan elkaar, waardoor het moeilijk wordt om de moleculen in een georiënteerde richting uit te lijnen.

Om dit probleem op te lossen, een team onder leiding van Dr. Yuhei Miyauchi en professor Kenichiro Itami van het JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project en het Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), gericht op de fysieke veranderingen die worden veroorzaakt door AFM-tipscanning. AFM, een techniek die voornamelijk wordt gebruikt voor het analyseren van oppervlakken, produceert afbeeldingen die de oneffenheden van het oppervlak van monsters laten zien door een sondepunt over het oppervlak te schuiven. Het team vermoedde dat tipscanning de thermodynamische omstandigheden op het grafeenoppervlak wijzigt en de richting van moleculaire uitlijning beïnvloedt.

Het team onderzocht hoe AFM-tipscanning leidt tot veranderingen in de moleculaire uitlijning op het grafeenoppervlak. Ze gebruikten natriumdodecylsulfaat (SDS), een algemeen oppervlakteactief molecuul, als modelmolecuul. Studies hebben aangetoond dat SDS lintachtige assemblages vormt op het grafeenoppervlak.

Met behulp van een microspuitpomp, de SDS-oplossing werd langzaam geïnjecteerd in een meerlaagse grafeen in een waterdruppel. Het team vergeleek hoe de SDS-moleculen zich aan het grafeen hechtten, een proces genaamd adsorptie (niet te verwarren met absorptie), met en zonder AFM tip scanning.

Een AFM-hoogtebeeld opgenomen 1 uur na SDS-injectie toonde willekeurige oneffenheden op het oppervlak, wat duidt op willekeurige adsorptie van SDS-moleculen op het grafeenoppervlak. Na 15 minuten intensief AFM-scannen, de SDS-adsorptiemorfologie veranderde drastisch en er werden veel lintachtige moleculen waargenomen. Dit fenomeen gaf aan dat de sterkte en richting van AFM-tipscanning de oriëntatie van de gegenereerde SDS-linten beïnvloedt.

"We ontdekten dit fenomeen per ongeluk toen we een ander onderzoeksproject uitvoerden, " zegt Dr. Liu Hong, een postdoctoraal onderzoeker die voornamelijk de experimenten uitvoerde. "We merkten dat als we naar de beelden van de AFM kijken, het SDS-lint groeide in dezelfde georiënteerde richting door AFM-tipscanning."

"We wilden dit verrassende fenomeen oprecht verhelderen, " zegt Yuhei Miyauchi, een groepsleider van het JST-ERATO-project.

Het team analyseerde de correlatie tussen de AFM-scanrichting en de waargenomen lintoriëntatie. Ze ontdekten dat de SDS-linten gemakkelijk groeiden wanneer de relatieve hoek tussen de lintgroei-as en de scanrichting groter is. In aanvulling, computationele berekeningen suggereerden dat geadsorbeerde SDS-moleculen daadwerkelijk worden verwijderd wanneer ze worden gedwongen om te roteren onder de AFM-scanomstandigheden. Geadsorbeerde SDS-moleculen met een relatief grote hoek met de scanrichting van de AFM-tip worden geroteerd en kunnen gemakkelijk worden verwijderd. Daarom, de moleculen die met kleine hoeken zijn geadsorbeerd ten opzichte van de scanrichting van de AFM-tip, fungeren als de kernen en groeien uit tot het SDS-lint.

Op basis van hun inzichten, het team probeerde perfect uitgelijnde SDS-moleculaire assemblages op grafeen te construeren.

"Het moeilijkste deel van dit onderzoek was hoe de groei en richting van SDS-linten met precisie te regelen, ", zegt Hong. "Toen de SDS-linten eenmaal waren gegroeid, hun oriëntaties veranderden niet onder de AFM-scanomstandigheden. We moesten op tijd snelle AFM-scans uitvoeren net na datzelfde moment waarop SDS-moleculen in het water op het grafeenoppervlak worden geïnjecteerd."

Onder fijn afgestemde AFM-scanomstandigheden, ze slaagden erin om individuele eendimensionale moleculaire assemblages te construeren, die zijn uitgelijnd langs een geselecteerde symmetrie-as van het grafeenrooster.

"In de AFM-analyse de dynamische mechanische effecten op het monster door AFM-tipscanning zijn als ongunstig beschouwd, " zegt dr. Taishi Nishihara, een postdoctoraal onderzoeker die de statistische analyses uitvoerde en het mechanisme van dit experiment analyseerde. "Onze bevindingen over het verborgen nut van de effecten die worden veroorzaakt door het scannen van AFM-tips, kunnen ook andere onderzoekers op verschillende gerelateerde gebieden inzicht geven."

"Het beste van dit onderzoek is dat we hebben kunnen aantonen dat de AFM-scan het 'symmetriebrekende' effect van het moleculaire patroon op grafeen kan induceren, " zegt Hong. "Het kan erg belangrijk zijn voor de groei van anisotrope moleculaire patronen op tweedimensionale (2-D) materialen, zoals superroosters, die nu essentieel zijn in zowel academisch als industrieel onderzoek."

"Ons concept van het doorbreken van de oppervlaktesymmetrie kan voor verschillende doeleinden worden toegepast, zoals het genereren van moleculaire circuits in moleculaire elektronica en het controleren van celchemotaxis in de biowetenschappen, ' zegt Miyauchi.

"We hopen dat onze ontdekking zal leiden tot een onderscheidende doorbraak in niet alleen de chemie, maar ook in aanverwante gebieden die betrekking hebben op moleculaire nanostructuren en hun uitlijning, " zegt Itami, de directeur van het JST-ERATO-project en centrumdirecteur van ITbM.