Framtiden ljusnade för organisk kemi när forskare vid Rice University hittade ett mycket kontrollerbart sätt att fästa organiska molekyler till orörd grafen, vilket gör mirakelmaterialet lämpligt för en rad nya applikationer.

Rice lab av kemisten James Tour, bygger på en uppsättning tidigare fynd i manipulationen av grafen, upptäckte en tvåstegsmetod som förvandlade det som var ett atomtjockt kolark till ett supergitter för användning i organisk kemi. Arbetet kan leda till framsteg inom grafenbaserade kemiska sensorer, termoelektriska anordningar och metamaterial.

Arbetet dök upp i veckan i online -tidningen Naturkommunikation .

Enbart grafen är inert för många organiska reaktioner och, som en halvmetall, har inget bandgap; detta begränsar dess användbarhet inom elektronik. Men projektet som leds av Tour Labs Zhengzong Sun and Rice -examen Cary Pint, nu forskare på Intel, visat att grafen, det starkaste materialet på grund av kol-kolbindningarnas robusta karaktär, kan göras lämplig för nya typer av kemi.

Fram till nu fanns det inget sätt att fästa molekyler till basplanet på ett ark grafen, sa Tour, Rices T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i maskinteknik och materialvetenskap och datavetenskap. "De skulle mest gå till kanterna, inte interiören, "sa han." Men med denna tvåstegsteknik, vi kan hydrera grafen för att skapa ett visst mönster och sedan fästa molekyler till var dessa väten var.

"Det här är användbart att göra, till exempel, kemiska sensorer där du vill ha peptider, DNA -nukleotider eller sackarider projiceras uppåt på diskreta platser längs en enhet. Reaktiviteten på dessa platser är mycket snabb i förhållande till placeringen av molekyler precis vid kanterna. Nu får vi välja vart de ska. "

Det första steget i processen innebar att skapa ett litografiskt mönster för att inducera fästning av väteatomer till specifika domäner i grafens bikakematris; denna omstrukturering gjorde det till en tvådimensionell, halvledande supergitter som kallas grafan. Väteatomerna genererades av en het glödtråd med ett tillvägagångssätt utvecklat av Robert Hauge, en framstående lärare i kemi vid Rice och medförfattare till tidningen.

Labbet visade sin förmåga att pricka grafen med fint bearbetade grafaneöar när det släppte mikroskopisk text och en bild av Rices klassiska Uggelmaskot, ungefär tre gånger bredden av ett människohår, på ett litet ark och centrifugera det sedan med en fluorofor. Grafen släcker naturligtvis fluorescerande molekyler, men grafan gör det inte, så ugglan tändes bokstavligen när den ses med en ny teknik som kallas fluorescens -släckmikroskopi (FQM).

FQM tillät forskarna att se mönster med en upplösning så liten som en mikron, gränsen för konventionell litografi tillgänglig för dem. Finare mönster är möjligt med rätt utrustning, resonerade de.

I nästa steg, labbet exponerade materialet för diazoniumsalter som spontant angrep öarnas kol-vätebindningar. Salterna hade den intressanta effekten att eliminera väteatomerna, lämnar en struktur av kol-kol sp3-bindningar som är mer mottagliga för ytterligare funktionalisering med andra organiska ämnen.

"Det vi gör med detta papper är att gå från grafen-grafans supergitter till en hybrid, ett mer komplicerat supergitter, "sa Sun, som nyligen tog sin doktorsexamen vid Rice. "Vi vill göra funktionella förändringar av material där vi kan styra positionen, bindningstyperna, de funktionella grupperna och koncentrationerna.

"I framtiden - och det kan vara år - borde du kunna göra en enhet med en sorts funktionell tillväxt inom ett område och en annan funktionell tillväxt på ett annat område. De kommer att fungera annorlunda men ändå vara en del av en kompakt, billig enhet, "sa han." I början det var väldigt lite organisk kemi man kunde göra med grafen. Nu kan vi göra nästan allt. Det här öppnar många möjligheter. "