Fysiker från Umeå universitet har hittat ett effektivt sätt att syntetisera grafen-nanoribb direkt inuti enväggiga kolnanorör. Resultatet publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nano Letters.
Grafen, en tunn atom flinga av vanligt kol, har ett brett utbud av ovanliga och mycket intressanta fastigheter. Som ledare för elektricitet fungerar den lika bra som koppar. Som värmeledare överträffar det alla andra kända material. Det finns möjligheter att uppnå starka variationer av grafenegenskaperna genom att göra grafen i form av remmar med olika bredder, så kallade nanoribbons. Dessa nanoribb är nu det verkliga fokuset på uppmärksamhet inom fysiken och ett extremt lovande material för elektronik, solceller och många andra saker. Dock, det har inte varit lätt att göra sådana band.
Docent Alexandr Talyzin och hans forskargrupp vid Institutionen för fysik, Umeå universitet, har tillsammans med kollegor från professor Esko Kauppinens grupp, Aalto -universitetet i Finland, upptäckte ett sätt att använda det ihåliga utrymmet inuti kolnanorör som en endimensionell kemisk reaktor för att göra inkapslad grafen. En fascinerande egenskap hos detta utrymme är att kemiska reaktioner förekommer annorlunda här jämfört med tredimensionella förhållanden i bulk.
"Vi använde koronen och perylen, som är stora organiska molekyler, som byggstenar för att producera långa och smala grafen -nanoribb inuti rören. Tanken att använda dessa molekyler som byggstenar för grafensyntes baserades på vår tidigare studie, säger Alexandr Talyzin.
Denna studie avslöjade att koronenmolekyler kan reagera med varandra vid vissa förhållanden för att bilda dimerer, trimerer och längre molekyler i bulkpulverform. Resultatet antydde att koronenmolekyler möjligen kan användas för syntes av grafen men måste på något sätt justeras i ett plan för den nödvändiga reaktionen. Det inre utrymmet för enväggiga kolnanorör tycktes vara en idealisk plats för att tvinga in molekyler i den kant-till-kant-geometri som krävs för polymerisationsreaktionen.
I den nya studien, forskarna visar att detta är möjligt. När de första proverna observerades genom elektronmikroskopi av Ilya Anoshkin vid Aalto University, spännande resultat avslöjades:alla nanorör fylldes inuti med grafen -nanoribb.
"Experimentens framgång berodde också mycket på valet av nanorör. Nanorör med lämplig diameter och i hög kvalitet tillhandahålls av våra medförfattare från Aalto University, säger Alexandr Talyzin.
Senare fann forskarna att formen på inkapslade grafen -nanoribon kan modifieras genom att använda olika typer av aromatiska kolväten. Egenskaperna för nanoribon är mycket olika beroende på form och bredd. Till exempel, nanoribbons kan vara antingen metalliska eller halvledande beroende på deras bredd och typ. Intressant, kolnanorör kan också vara metalliska, halvledande (beroende på deras diameter) eller isolerande vid kemiskt modifiering.
"Detta skapar en enorm potential för ett brett spektrum av applikationer. Vi kan förbereda hybrider som kombinerar grafen och nanorör i alla möjliga kombinationer i framtiden, säger Alexandr Talyzin.
Till exempel, metalliska nanoribb inuti isolerande nanorör är mycket tunna isolerade trådar. De kan användas direkt inuti kolnanorör för att producera ljus och därmed göra nanolampor. Halvledande nanoribb kan eventuellt användas för transistorer eller solcellstillämpningar och metall-metallisk kombination är faktiskt en ny typ av koaxial nanokabel, makroskopiska kablar av detta slag används t.ex. för överföring av radiosignaler.
Den nya metoden för hybridsyntes är mycket enkel, lätt skalbar och gör det möjligt att få nästan 100 procent fyllning av rör med nanoribbon. De teoretiska simuleringarna, framförd av Arkady Krasheninnikov i Finland, visar också att grafen-nanoribonen behåller sina unika egenskaper inuti nanorören samtidigt som de skyddas från miljön genom inkapsling och ligger i linje med buntar med enväggiga nanorör.
"Det nya materialet verkar mycket lovande, men vi har mycket tvärvetenskapligt arbete framför oss inom fysik och kemi. Att syntetisera materialet är bara en början. Nu vill vi lära oss dess elektriska, magnetiska och kemiska egenskaper och hur man använder hybriderna för praktiska tillämpningar, säger Alexandr Talyzin.
