När du tittar på en presentförpackad present, de grundläggande egenskaperna hos omslagspappret - säg, dess färger och konsistens - förändras i allmänhet inte av presentens natur.
Men överraskande nya experiment utförda vid MIT visar att ett enatomtjockt material som kallas grafen, en form av rent kol vars atomer är sammanfogade i ett kycklingtrådsliknande galler, beter sig helt olika beroende på vilken typ av material det är virat runt. När ark av grafen placeras på substrat gjorda av olika material, grundläggande egenskaper - såsom hur grafen leder elektricitet och hur det interagerar kemiskt med andra material - kan vara drastiskt olika, beroende på det underliggande materialets art.
"Vi blev ganska förvånade" när vi upptäckte detta förändrade beteende, säger Michael Strano, Charles och Hilda Roddey professor i kemiteknik vid MIT, som är seniorförfattare till en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Naturkemi . "Vi förväntade oss att den skulle bete sig som grafit"-en välkänd form av kol, används för att göra bly i pennor, vars struktur är i huvudsak flera lager av grafen staplade ovanpå varandra.
Men dess beteende visade sig vara helt annorlunda. "Grafen är väldigt konstigt, " säger Strano. På grund av dess extrema tunnhet, i praktiken placeras grafen nästan alltid ovanpå något annat material som stöd. När materialet under är kiseldioxid, ett standardmaterial som används inom elektronik, grafenet kan lätt bli "funktionaliserat" när det utsätts för vissa kemikalier. Men när grafen sitter på bornitrid, den reagerar knappt alls på samma kemikalier.
"Det är väldigt kontraintuitivt, " säger Strano. "Du kan stänga av och slå på grafens förmåga att bilda kemiska bindningar, baserat på vad som finns under."
Anledningen, det visar sig, är att materialet är så tunt att sättet det reagerar på påverkas starkt av de elektriska fälten hos atomer i materialet under det. Detta innebär att det är möjligt att skapa enheter med ett mikromönster som består av vissa kiseldioxidregioner och några belagda med bornitrid – täckta med ett lager av grafen vars kemiska beteende sedan kommer att variera beroende på det dolda mönstret. Detta kan möjliggöra, till exempel, produktion av mikromatriser av sensorer för att upptäcka spår av biologiska eller kemiska material.
Qing Hua Wang, en MIT postdoc som är huvudförfattare till uppsatsen, säger, "Du kan få olika molekyler av en delikat biologisk markör att interagera [med dessa regioner på grafenytan] utan att störa biomolekylerna själva." De flesta nuvarande tillverkningstekniker för sådana mönstrade ytor involverar värme och reaktiva lösningsmedel som kan förstöra dessa känsliga biologiska molekyler.
I sista hand, grafen kan till och med bli en skyddande beläggning för många material, säger Strano. Till exempel, det enatomtjocka materialet, när den är bunden till koppar, eliminerar helt den metallens tendens att oxidera (vilket ger den karakteristiska blågröna ytan på koppartak). "Det kan helt stänga av korrosionen, " säger han, "nästan som magi ... med bara viskningen av en beläggning."
För att förklara varför grafen beter sig som det gör, "vi kom på en ny elektronöverföringsteori" som redogör för hur det påverkas av det underliggande materialet, säger Strano. "Många kemister hade missat detta, ” och som ett resultat hade blivit förvirrad av till synes oförutsägbara förändringar i hur grafen reagerar i olika situationer. Denna nya förståelse kan också användas för att förutsäga materialets beteende på andra underlag, han säger.
James Tour, en professor i kemi och datavetenskap vid Rice University som inte var involverad i denna forskning, säger, "Detta är den första systematiska studien av substratets effekt på grafens kemiska reaktivitet. Detta är en mycket noggrant genomförd studie med övertygande resultat. Jag förutspår att det kommer att bli en ofta citerad publikation.”
Wang tillägger att "det är ett ganska allmänt resultat" som kan användas för att förutsäga det kemiska beteendet hos många olika konfigurationer. "Vi tror att andra grupper kan ta den här idén och verkligen utveckla olika saker med den, " säger hon. Tour håller med, ordspråk, "Grafenavkänningsgemenskapen kommer att inspireras av detta arbete för att utforska många fler substrat i ett försök att optimera grafenreaktiviteten."
När det gäller MIT-teamet, hon säger, "Nästa steg är, vi gräver i detaljerna om hur tvåskiktsgrafen reagerar. Det verkar bete sig annorlunda” än enskiktsmaterialet.
