Hoewel nanograafeen onoplosbaar is in water en organische oplosmiddelen, Onderzoekers van de Kumamoto University (KU) en Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben een manier gevonden om het in water op te lossen. Met behulp van "moleculaire containers" die in water onoplosbare moleculen inkapselen, de onderzoekers ontwikkelden een vormingsprocedure voor een nanograafeenadlaag die chemisch interageert met de onderliggende stof, door gewoon de moleculaire containers en nanographeen samen in water te mengen. De methode zal naar verwachting nuttig zijn voor de fabricage en analyse van functionele nanomaterialen van de volgende generatie.

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen die in bladvorm zijn gerangschikt. Het is lichter dan metaal met superieure elektrische eigenschappen, en heeft de aandacht getrokken als materiaal van de volgende generatie voor elektronica. Structureel gedefinieerd grafeen van nanoformaat, d.w.z. nanograafeen, heeft andere fysieke eigenschappen dan grafeen. Hoewel nanografeen een aantrekkelijk materiaal is voor organische halfgeleiders en moleculaire apparaten, de moleculaire groep is onoplosbaar in veel oplosmiddelen, en de fundamentele fysische eigenschappen ervan worden niet voldoende begrepen.

Micellen kunnen worden gebruikt om in water onoplosbare stoffen in water op te lossen. Zeep is een bekend voorbeeld van een micel. Wanneer zeepmicellen zich vermengen met water, bellen die aan de binnenkant hydrofoob en aan de buitenkant hydrofiel zijn, beginnen zich te vormen. Deze bubbels vangen vuil op oliebasis op en maken het gemakkelijker om het weg te spoelen met water. Dr. Michito Yoshizawa van Tokyo Tech gebruikte deze eigenschap van micellen om amfipathische (moleculen die zowel hydrofobe als hydrofiele eigenschappen hebben) micelcapsules te ontwikkelen. Voortbouwend op het werk van Dr. Yoshizawa, onderzoekers van de KU ontwikkelden een micelcapsule voor onoplosbare nanografeenverbindingsgroepen.

De KU-onderzoekers gebruikten micelcapsules die waren samengesteld uit specifieke chemische structuren (antraceen) als moleculaire containers en maakten vakkundig gebruik van molecuulinteracties om nanograafeenmoleculen efficiënt in de capsules op te nemen. De micelcapsules gedragen zich als cadeautjes van de kerstman, de zeer hydrofobe nanografeenmoleculen (het speelgoed) in de capsule (de doos/het inpakpapier) worden onder water naar het oppervlak van het gouden (Au) substraat (de kerstboom) getransporteerd. De micelcapsules ondergaan dan een verandering van moleculaire toestand (evenwicht) in de zure waterige oplossing. Het nanograafeen dat zich in de micel bevond, is geadsorbeerd en georganiseerd op het Au-substraat, omdat het zonder zijn 'beschermende verpakking' niet in water wordt opgelost.

Met behulp van een Elektrochemische Scanning Tunneling Microscoop (EC-STM), die materiële oppervlakken op atomair niveau oplost, observeerden de onderzoekers met succes drie soorten nanografeenmoleculen (ovaleen, circobifenyl, en dicoronyleen) voor het eerst ter wereld in resolutie op moleculaire schaal. De afbeeldingen toonden aan dat de moleculen die op het Au-substraat waren geadsorbeerd, regelmatig waren uitgelijnd en een zeer geordende 2-D moleculaire adlaag vormden.

Deze methode van fabricage van moleculaire adlaag maakt gebruik van moleculen met oplosbaarheidsbeperkingen, maar kan ook voor andere soorten moleculen worden gebruikt. Bovendien, het zou de aandacht moeten trekken als een milieuvriendelijke technologie, aangezien het geen gebruik van schadelijke organische oplosmiddelen vereist. Het onderzoeksteam verwacht dat het nieuwe deuren zal openen in wetenschappelijk onderzoek naar nanografeen.

"Een paar jaar geleden, KU stond voor grote uitdagingen als gevolg van de Kumamoto-aardbevingen in 2016. Terwijl we aan het herstellen waren van deze ramp, Tokyo Tech accepteerde senior niet-gegradueerde studenten van ons laboratorium als speciale auditors. Vanaf dat moment is dit gezamenlijke onderzoeksproject gestart. De resultaten van dit werk zijn een direct resultaat van Tokyo Tech's snelle reactie en vriendelijke samenwerking tijdens de moeilijke situatie waarmee we hier in Kumamoto werden geconfronteerd. We stellen hun genereuze hulp zeer op prijs, ", zegt projectleider Universitair hoofddocent Soichiro Yoshimoto van Kumamoto University. "De door ons ontwikkelde methode kan ook worden toegepast op een groep moleculen met een grotere chemische structuur. We verwachten dat dit werk zal leiden tot de ontwikkeling van moleculaire draden, nieuwe batterij materialen, dunne film kristalgroei van nauwkeurige moleculaire ontwerpen, en de verdere opheldering van fundamentele fysische eigenschappen."

Dit onderzoeksresultaat is geplaatst in de Internationale editie van Angewandte Chemie op de 23 ^rd van oktober 2018.