Grafan är det bästa materialet för fysiker på framkanten av materialvetenskap, och Rice University forskare är där med packningen - och kanske lite före.

Forskare under handledning av Boris Yakobson, en risprofessor i maskinteknik och materialvetenskap och i kemi, har upptäckt att den strategiska utvinningen av väteatomer från ett tvådimensionellt ark av grafan naturligt öppnar upp utrymmen av ren grafen som ser ut - och fungerar - som kvantprickar.

Det öppnar upp en ny värld av möjligheter för en ständigt krympande klass av nanoelektronik som är beroende av de mycket kontrollerbara halvledande egenskaperna hos kvantprickar, särskilt inom området för avancerad optik.

Det teoretiska arbetet av Abhishek Singh och Evgeni Penev, båda postdoktorerna i medförfattaren Yakobsons grupp, publicerades online förra veckan i tidskriften ACS Nano och kommer att finnas på omslaget till den tryckta versionen i juni. Rice utsågs nyligen till världens första institution för materialvetenskaplig forskning av en brittisk publikation.

Grafen har blivit materialets Flat Stanley. Den enatomtjocka, bikakeliknande form av kol kan vara tvådimensionell, men det verkar finnas överallt, utropad som en lösning på att gå utanför gränserna för Moores lag.

Grafan är helt enkelt grafen modifierad av väteatomer som läggs till på båda sidor av matrisen, vilket gör den till en isolator. Även om det fortfarande tekniskt sett bara är en enda atom tjock, grafan erbjuder stora möjligheter för manipulering av materialets halvledande egenskaper.

Kvantprickar är kristallina molekyler från ett fåtal till många atomer i storlek som interagerar med ljus och magnetiska fält på unika sätt. Storleken på en punkt bestämmer dess bandgap - mängden energi som behövs för att stänga kretsen - och gör den justerbar till en exakt grad. Frekvenserna av ljus och energi som frigörs av aktiverade prickar gör dem särskilt användbara för kemiska sensorer, solceller, medicinsk bildbehandling och kretsar i nanoskala.

Singh och Penev beräknade att avlägsnande av öar av väte från båda sidor av en grafanmatris lämnar en brunn med alla egenskaper hos kvantprickar, vilket också kan vara användbart för att skapa arrayer av punkter för många applikationer.

"Vi kom fram till dessa idéer från en helt annan studie av energilagring i en form av väteadsorption på grafen, " sa Yakobson. "Abhishek och Evgeni insåg att denna fastransformation (från grafen till grafan), åtföljs av bytet från metall till isolator, erbjuder en ny palett för nanoteknik."

Deras arbete avslöjade flera intressanta egenskaper. De fann att när bitar av vätesubgitteret avlägsnas, det kvarvarande området är alltid sexkantigt, med ett skarpt gränssnitt mellan grafen och grafan. Det här är viktigt, de sa, eftersom det betyder att varje punkt är mycket innesluten; beräkningar visar mycket lite läckage av laddning in i grafanvärdmaterialet. (Hur, exakt, att ta bort väteatomer från gittret är fortfarande en fråga för materialforskare, som arbetar med det, sa de.)

"Du har ett atomliknande spektra inbäddat i ett media, och sedan kan du spela med bandgapet genom att ändra storleken på pricken, " sa Singh. "Du kan i princip ställa in de optiska egenskaperna."

Tillsammans med optiska applikationer, prickarna kan vara användbara vid avkänning av en molekyl och kan leda till mycket små transistorer eller halvledarlasrar, han sa.

Utmaningar kvarstår med att ta reda på hur man gör uppsättningar av kvantprickar i ett ark grafan, men varken Singh eller Penev ser hindren som oöverstigliga.

"Vi tror att de viktigaste slutsatserna i uppsatsen är tillräckliga för att upphetsa experimentalister, sa Singh, som snart lämnar Rice för att bli biträdande professor vid Indian Institute of Science i Bangalore. "Några arbetar redan i de riktningar vi utforskade."

"Deras arbete stöder faktiskt det vi föreslår, att du kan göra denna mönstring på ett kontrollerat sätt, " sa Penev.

När kan deras beräkningar bära kommersiell frukt? "Det är en svår fråga, " sa Singh. "Det kommer inte att vara så långt, förmodligen -- men det finns utmaningar. Jag vet inte om vi kan ge det en tidsram, men det kan hända snart."