(Phys.org)—Graphene, en tvådimensionell form av kol, har många egenskaper som gör den unikt lämpad för nanoenheter. För en, även om den består av ett nätverk av kolatomer, den visar extraordinär konduktivitet genom sitt π-elektronnätverk. Dessutom, grafen är en billig, flexibelt underlag, vilket gör det till ett praktiskt alternativ för enhetskonstruktion. Många grupper är intresserade av sätt att anpassa nanomaterial på grafenytor snarare än att funktionalisera grafen, vilket förändrar några av grafens önskvärda egenskaper.

Ett team av forskare från University of Tokyo, Japan Science and Technology Agency, University of California i Berkeley, Ulsan National Institute of Science and Technology, Harvard Universitet, Konkuk University, och Lawrence Berkeley National Laboratory har upptäckt att guld(I) cyanid (AuCN) nanotrådar kommer att monteras på orörd grafen under milda förhållanden. De fastställde att dessa nanotrådar spontant är i linje med grafens sicksackgitter, möjliggör studier av grafens strukturella natur såväl som för kontrollerad design av oorganiska nanostrukturer. Deras arbete visas i Naturens nanoteknik .

En av svårigheterna med att införliva oorganiska molekyler på grafen är att grafen är kemiskt inert. De flesta ansträngningar för att producera ett oorganiskt lager på ett grafensubstrat involverar antingen att använda grafen som har defekter eller reagera med kanterna på ett grafenband. Denna studie är unik genom att nanotrådar bildades på orörd grafen. Viktigt, studier bekräftade att grafenen förblev orörd även efter att nanotrådarna bildades. Nanotrådarna togs bort med en basisk lösning, ger orörd grafen. Vidare, ytterligare studier med olika typer av kolytor visade att AuCN nanotrådarna företrädesvis växer på orörda grafenytor.

Syntes av AuCN nanotrådarna utfördes under relativt milda förhållanden. Vanligtvis, denna typ av oorganisk reaktion där en förening reageras på ett substrat som grafen, görs med kemisk ångavsättning. Kemisk ångavsättning sker under hårda temperatur- och tryckförhållanden. Lee et al. rapportera en syntes där enkelskiktsgrafen och fast guld placeras i en vattenlösning av 250 mM ammoniumpersulfat vid rumstemperatur under 17 timmar. Guldet kan antingen vara guldnanopartiklar eller en guldmikrostruktur, beroende på reaktionens mål. Syran oxiderar guldet för att bilda nanotrådar. Grafenen fungerar som ett substrat för kärnbildning och tillväxt av nanotrådarna.

Karakteriseringsstudier visade att nanotrådarna uteslutande bestod av AuCN. Vidare, AuCN nanotrådarna bildar en nanorribbonstruktur på grafenytan på ett sådant sätt att de är analoga med grafen sicksackgitterstrukturen. Detta är ett nyckelfynd eftersom egenskaperna hos grafengittret kan studeras genom att titta på orienteringen av AuCN nanorribbons. Att studera grafens gitterstruktur kräver vanligtvis speciell provberedning och substratkrav som kan vara tidskrävande. Dock, genom att titta på AuCN nanoribbon egenskaper med en teknik som svepelektronmikroskopi, som kräver minimal provberedning, man kan lättare urskilja grafens korngränser och andra egenskaper.

Eftersom nanotrådarna kommer att följa grafengitterstrukturen, Lee et al. visade att man kunde kontrollera orienteringen av nanostrukturer. De kunde tillverka grafen nanoband av hög kvalitet som följer en viss gitterorientering. De kunde också tillverka guld nanopartikelkedjor som var i linje med grafenens sicksackgitterriktning.

På grund av de unikt inerta förhållandena för denna reaktion, Lee et al. genomförde första principberäkningar för att förstå vad som främjade denna substratinducerade nanotrådsbildning, som kan ge ledtrådar till att utveckla en allmän mekanism för att tillverka nanomaterial under inerta förhållanden.

De fann att AuCN bibehöll sin hexagonala kristallstruktur och grafen bibehöll sin sp ² kolstruktur. Skillnaden mellan skikten mellan AuCN-kristallerna och grafenarket är nästan densamma som skillnaden mellan skikten mellan Au(1 1 1) och grafen. Detta tyder på att den primära interaktionen är mellan grafenen och guldatomen i AuCN. Dock, bindningsenergin för AuCN på grafen är mycket högre än för Au(1 1 1), vilket tyder på att grafenens π-elektroner interagerar med det elektronfattiga guldet i AuCN. Denna unika π-interaktion kan vara drivkraften bakom den spontana bindningen mellan nanotrådarna och grafen, och kan vara en egenskap som kan användas för att konstruera andra nanomaterial.

Övergripande, Lee et al. demonstrerade en enkel syntes av grafenmall AuCN nanotrådar som spontant anpassar sig till orörda grafens sicksackgitter. Detta möjliggör bättre karakterisering av grafens kristallegenskaper samt styr orienteringen av tillverkade nanomaterial. Interaktionen mellan π-elektronerna och guldatomen i AuCN utan att störa grafens kolnätverk är en unik interaktion som kan utnyttjas för ytterligare studier vid konstruktion av nanoenheter.

© 2015 Phys.org