(Phys.org) – Forskare har utvecklat ett lovande nanomaterial som kan vara anpassningsbart för användning i ett brett spektrum av tillämpningar. Ett internationellt team som leds av forskare från det schweiziska federala tekniska institutet Lausanne (EPFL) och Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm har utvecklat en elegant metod för att producera självorganiserade kolnanolager och utrusta dem kemiskt med en rad olika funktioner. Sådana funktionaliserade kolnanolager tros vara lämpliga för olika tillämpningar. Till exempel, de kan fungera som beläggningar som gör ytor både reptåliga och smutsavvisande, eller som sensorer för detektering av extremt små mängder ämnen. Kolskiktens elektriska ledningsförmåga gör dem också lämpliga för användning som elektroniska komponenter i olika applikationer.

I morgondagens teknik, något ofattbart litet skulle mycket väl kunna bli en jätte. Forskare forskar om många varianter av nanomaterial, nämligen ämnen med dimensioner inom intervallet 100 nanometer. Prefixet nano kommer från det grekiska ordet för dvärg, och avser en miljarddels del. Således, en nanometer är en miljarddels meter. Forskare är mycket tagna av ett särskilt material som kommer i dessa dimensioner:kolnanolager. Dessa är bikakeliknande lager av kolatomer som är några nanometer tjocka – eller ännu mindre. De tunnaste tänkbara kolnanolagen av detta slag är grafener, som består av ett enda lager kol.

För många applikationer, det skulle vara viktigt att kunna utrusta dessa ultratunna kolskikt med vissa kemiska molekylrester, kända som funktionella grupper. "Detta har hittills bara varit möjligt i begränsad omfattning eftersom kolnanoskivor vanligtvis bara kan förberedas vid extremt höga temperaturer - och, därför, under förhållanden som omedelbart skulle förstöra sådana funktionella grupper, " förklarar Gerald Brezesinski från Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Golm nära Potsdam. Tillsammans med kollegor från hans institut, Brezesinski har gett stöd till forskare från det schweiziska federala tekniska institutet Lausanne (EPFL) för att utveckla en syntesmetod som kan vara av intresse i detta sammanhang. Med denna metod, kol nanolager, inklusive funktionella grupper, skulle kunna vara tillgänglig vid avsevärt lägre temperaturer än de som vanligtvis används vid tillverkning av sådana material.

Doppar djupt ner i påsen med kemiska knep

Att bilda en plan struktur från kolatomer, de schweiziska forskarna använde en rad knep. En av de viktigaste gällde den valda utgångsföreningen, en molekyl vars mittsektion har sex alternerande kol-kol trippel- och enkelbindningar. Dessa sektioner består uteslutande av kolatomer och är mycket reaktiva, eftersom de även kan genomgå kemiska reaktioner vid lägre temperaturer. I motsats till andra processer, detta innebär att tunna kollager kan framställas av dessa molekyler vid rumstemperatur.

Med hjälp av en speciell testuppsättning, forskarna ordnade så att många av dessa molekyler passade perfekt parallellt med varandra i ett enda självorganiserat lager – som borsten på en borste. Dock, det var en liten skillnad på borsthåren:de parallella kedjorna av molekyler hade var och en en liten böjning. Som ett resultat av detta arrangemang, de kolrika sektionerna av alla molekyler var belägna på samma nivå. När forskarna applicerade UV-ljus på denna uppställning, några av trippelbindningarna gick sönder och bindningar bildades istället mellan kolatomerna i närliggande molekyler. Eftersom nästan alla borst därigenom så småningom fästes med sina närliggande borst, ett konsekvent lager av kolatomer uppstod – ett kolnanolager.

För att allt detta ska hända, de Lausanne-baserade forskarna var uppenbarligen tvungna att gräva djupt i lådan med kemiska knep för utformningen av den molekylära prekursorn. För att säkerställa parallellt arrangemang av deras molekyler, de skapade ytaktiva ämnen liknande molekyler, liknande de som finns i diskmedel. Medan ena änden av sådana molekyler löser sig väl i vatten, den andra löses inte upp alls. Mellan dessa två ändar, forskarna placerade de reaktiva trippelbindningarna.

När de tog sin förening i kontakt med vatten vid denna tidpunkt, endast ena änden av molekylen löstes upp. Hela återstoden var så olöslig att den stack upp från ytan och upp i luften. Forskarna lyckades medvetet fastställa ett enhetligt avstånd mellan de enskilda molekylära borsten. När det gäller trippelbindningarna, detta måste vara mindre än 0,4 nanometer, eftersom de angränsande kolatomerna bara är tillräckligt nära varandra i detta fall för att bilda nya bindningar med varandra under UV-ljus.

Framgången för syntesprocessen bekräftas av högspecialiserad analys

För forskarna, det var viktigt att förstå hur det molekylära lagret längs vatten-luft-gränsen faktiskt såg ut, och hur det förändrades under reaktionens gång. Speciella metoder spelade in här, som är en del av repertoaren av Gerald Brezesinski och hans forskningsgrupp vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam. Till exempel, för att detektera de aktuella atomernas position i gränsskiktet – och därmed också det exakta arrangemanget av startmolekylerna – använde forskarna högenergiröntgenstrålar från DESY-synkrotronen i Hamburg. De sätt på vilka dessa strålar spreds eller reflekterades på det oblattunna provlagret gav så småningom Gerald Brezesinski och hans kollega Cristina Stefaniu, som nu arbetar vid universitetet i Potsdam, med information om det exakta arrangemanget av startmolekylerna.

Med hjälp av infraröd reflektions-absorptionsspektroskopi, forskarna lyckades senare spåra den faktiska reaktionen under UV-bestrålningen. Att göra detta, de mätte hur den karakteristiska signalen för trippelbindningarna minskade kontinuerligt under reaktionens gång. En mycket speciell teknik som användes av forskarna i Potsdam var till hjälp här. Störande påverkan från de närvarande vattenmolekylerna kunde endast maskeras med hjälp av denna teknik. "Det finns bara ett fåtal forskargrupper i världen som kan göra den här typen av infraröd spektroskopi i sådana lager synliga, "betonar Gerald Brezesinski.

Särskilda tekniker som användes av de Potsdam-baserade Max Planck-forskarna visade sig också vara till hjälp för att karakterisera den resulterande produkten. Dessa inkluderade, till exempel, Brewster vinkelmikroskopi, som utvecklades för cirka 20 år sedan vid Max Planck-institutet för biofysikalisk kemi i Göttingen. Med hjälp av detta mikroskop, forskarna kunde visa att produkten var ett mycket homogent slätt lager, som är totalt två nanometer tjock – och, därför, faktiskt ett kolnanolager.

Gerald Brezesinski från Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam var också nöjd med denna framgång:"Detta betyder att det faktiskt är möjligt att designa tensidliknande molekyler på ett sätt som möjliggör deras användning i syntesen av ett kollager på en vattenytan. Vi kunde bevisa detta med hjälp av våra metoder."

Utgångspunkt för "funktionella kolnanolager"

I slutet av syntesprocessen, ändarna på startmolekylerna stack fortfarande ut från nanoskiktet – den vattenlösliga änden på ena sidan och den olösliga änden på den andra. Just denna faktor är oerhört viktig för forskarna, eftersom det skapar möjlighet att fästa kemiska grupper i slutet före syntesen som kommer att ge det efterföljande kolnanolagret en speciell funktion. De kemiska bihangen skulle klara den milda produktionsprocessen oskadade, och skulle också bevaras i det resulterande kolnanoskiktet.

På det här sättet, till exempel, det skulle vara möjligt att förankra kemiska grupper på ena sidan som senare skulle stödja anslutningen till vissa ytor av glas eller metall. Grupper kan också fästas på andra sidan som skulle göra lagret smutsavvisande. Kolskiktet i sig skulle också göra ytan mycket reptålig. Kemiska nanosensorer skulle också kunna konstrueras av sådana wafer-tunna lager. För detta ändamål, kemiska grupper skulle kunna integreras i utgångsmolekylerna som senare säkerställer interaktionen med ämnet eller ämnesgruppen som ska mätas. Den höga elektriska ledningsförmågan hos kolnanoskikt kan sedan användas för överföring av mätsignalerna. Forskarna från Lausanne och Potsdam hoppas därför att deras innovativa process för produktion av självorganiserade och funktionella kolnanolager kommer att bana väg för ett stort antal intressanta nya tillämpningar.