Nanografeen is een materiaal dat zonnecellen radicaal kan verbeteren, brandstofcellen, LED's en meer. Typisch, de synthese van dit materiaal was onnauwkeurig en moeilijk te controleren. Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een eenvoudige manier ontdekt om nauwkeurige controle te krijgen over de fabricage van nanograafeen. Daarbij, ze hebben licht geworpen op de voorheen onduidelijke chemische processen die betrokken zijn bij de productie van nanografeen.

grafeen, één atoom dikke vellen koolstofmoleculen, toekomstige technologie zou kunnen revolutioneren. Eenheden van grafeen staan ​​bekend als nanographeen; deze zijn afgestemd op specifieke functies, en als zodanig, hun fabricageproces is ingewikkelder dan dat van generiek grafeen. Nanografeen wordt gemaakt door selectief waterstofatomen te verwijderen uit organische moleculen van koolstof en waterstof, een proces dat dehydrogenering wordt genoemd.

"Dehydrogenering vindt plaats op een metalen oppervlak zoals dat van zilver, goud of koper, die als katalysator werkt, een materiaal dat een reactie mogelijk maakt of versnelt, " zei assistent-professor Akitoshi Shiotari van de afdeling Advanced Materials Science. "Echter, dit oppervlak is groot ten opzichte van de beoogde organische moleculen. Dit draagt ​​bij aan de moeilijkheid bij het maken van specifieke nanografeenformaties. We hadden een beter begrip nodig van het katalytische proces en een preciezere manier om het te beheersen."

Shiotari en zijn team, door verschillende manieren te onderzoeken om nanograafeensynthese uit te voeren, kwam met een methode die de precieze controle biedt die nodig is en ook nog eens zeer efficiënt is. Ze gebruikten een gespecialiseerd soort microscoop, een atomic force microscope (AFM), die details van moleculen meet met een nanoscopische naaldachtige sonde. Deze sonde kan niet alleen worden gebruikt om bepaalde kenmerken van individuele atomen te detecteren, maar ook om ze te manipuleren.

"We ontdekten dat de metalen sonde van de AFM koolstof-waterstofbindingen in organische moleculen kon verbreken, "zei Shiotari. "Het zou dit heel precies kunnen doen, aangezien de punt zo klein is, en het kan bindingen verbreken zonder de noodzaak van thermische energie. Dit betekent dat we nu nanograafeencomponenten op een meer gecontroleerde manier dan ooit tevoren kunnen fabriceren."

Om te verifiëren wat ze zagen, het team herhaalde het proces met een verscheidenheid aan organische verbindingen, in het bijzonder twee moleculen met zeer verschillende structuren die benzonoïden en niet-benzonoïden worden genoemd. Dit toont aan dat de betreffende AFM-sonde in staat is om waterstofatomen uit verschillende soorten materialen te trekken. Een dergelijk detail is van belang om deze methode op te schalen naar een commercieel productiemiddel.

"Ik denk dat deze techniek de ultieme manier kan zijn om van onderaf functionele nanomoleculen te maken, " zei Shiotari. "We kunnen een AFM gebruiken om andere stimuli toe te passen op doelmoleculen, zoals het injecteren van elektronen, elektronische velden of afstotende krachten. Het is ontroerend om te zien, controle en manipuleer structuren op zo'n ongelooflijk minuscule schaal."