En grupp forskare vid Nagoya University har utvecklat en enkel och kraftfull metod för att konstruera perfekt enkelriktade molekylära sammansättningsstrukturer på grafener, enligt en studie som rapporterats i tidskriften Vetenskapliga rapporter . Upptäcktes av misstag under annan forskning, metoden bygger på ett gemensamt laboratorieverktyg, atomkraftsmikroskopi (AFM), för att kontrollera molekylär inriktning.

Grafen, som är ark gjorda av kol, väcker stort intresse från många forskare som en kraftfull kandidat för nästa generations elektronikmaterial på grund av deras unika egenskaper. Utvecklingen av en tillförlitlig metod som möjliggör perfekt inriktning av molekyler eller molekylära sammansättningar på en grafenyta kan leda till att justera grafens elektriska egenskaper, och att förbättra prestandan hos grafenbaserade elektroniska enheter. Även om det har studerats mycket under senare år, tillväxten av väljusterade molekylära nanostrukturer uteslutande längs en önskad riktning är fortfarande svår. Detta beror på att grafenytan har trefaldig symmetri, som är termodynamiskt ekvivalenta med varandra, vilket gör det svårt att rikta in molekylerna i en orienterad riktning.

För att lösa detta problem, ett team ledd av Dr. Yuhei Miyauchi och professor Kenichiro Itami från JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project och Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), fokuserat på de fysiska förändringar som induceras av AFM-spetsskanning. AFM, en teknik som främst används för att analysera ytor, producerar bilder som visar ytojämnheten hos prover genom att föra en sondspets över ytan. Teamet misstänkte att spetsskanning modifierar de termodynamiska förhållandena på grafenytan och påverkar riktningen för molekylär inriktning.

Teamet undersökte hur AFM -spetsskanning leder till förändringar i molekylär inriktning på grafenytan. De använde natriumdodecylsulfat (SDS), en vanlig ytaktiv molekyl, som en modellmolekyl. Studier har visat att SDS bildar bandliknande sammansättningar på grafenytan.

Med hjälp av en mikrosprutpump, SDS-lösningen injicerades långsamt i ett flerskikt av grafen i en vattendroppe. Teamet jämförde hur SDS-molekylerna höll fast vid grafenen, en process som kallas adsorption (inte förväxlas med absorption), med och utan AFM-spetsskanning.

En AFM-höjdbild inspelad 1 timme efter SDS-injektion visade slumpmässiga ojämnheter på ytan, vilket indikerar slumpmässig adsorption av SDS-molekyler på grafenytan. Efter 15 minuters intensiv AFM -skanning, SDS-adsorptionsmorfologin förändrades drastiskt och många bandliknande molekyler observerades. Detta fenomen indikerade att styrkan och riktningen för AFM-spetsskanning påverkar orienteringen av de genererade SDS-banden.

"Vi upptäckte detta fenomen av misstag när vi genomförde ett annat forskningsprojekt, " säger Dr Liu Hong, en postdoktor som främst genomförde experimenten. "Vi märkte att när vi tittade på bilderna av AFM, SDS-bandet växte i samma riktning genom AFM-spetsskanning."

"Vi ville verkligen klargöra detta överraskande fenomen, säger Yuhei Miyauchi, en gruppledare för JST-ERATO-projektet.

Teamet analyserade korrelationen mellan AFM -skanningsriktningen och den observerade bandorienteringen. De upptäckte att SDS-banden växte lätt när den relativa vinkeln mellan bandets växande axel och skanningsriktningen är större. Dessutom, beräkningar antydde att adsorberade SDS-molekyler faktiskt tas bort när de tvingas rotera under AFM-skanningsförhållandena. Adsorberade SDS-molekyler med en relativt stor vinkel mot AFM-spetsens skanningsriktning roteras och tas lätt bort. Därför, molekylerna adsorberade med små vinklar mot AFM-spetsens skanningsriktning fungerar som kärnorna och växer till att bli SDS-bandet.

På grundval av deras uppfattningar, laget försökte konstruera perfekt anpassade SDS -molekylaggregat på grafen.

"Den svåraste delen av denna forskning var hur man kontrollerar tillväxten och riktningen av SDS-band med precision, " säger Hong. "När väl SDS-banden odlades, deras orienteringar ändrades inte under AFM-skanningsförhållandena. Vi var tvungna att utföra snabba AFM-skanningar i tid precis efter det ögonblicket där SDS-molekyler injiceras i vattnet på grafenytan."

Under finjusterade AFM-skanningsförhållanden, de lyckades konstruera individuella endimensionella molekylära sammansättningar, som är inriktade längs en vald symmetriaxel för grafengitteret.

"I AFM-analys, de dynamiska mekaniska effekterna på provet genom AFM-spetsskanning har ansetts vara ogynnsamma, " säger Dr Taishi Nishihara, en postdoktor som utförde de statistiska analyserna och analyserade mekanismen för detta experiment. "Våra fynd om den dolda användbarheten av effekterna som orsakas av AFM -spetsskanning kan också ge insikt till andra forskare inom olika relaterade områden."

"Den bästa delen av denna forskning är att vi kunde visa att AFM-skanningen kan inducera den "symmetribrytande" effekten av det molekylära mönstret på grafen, " säger Hong. "Det kan vara mycket viktigt för tillväxten av anisotropa molekylära mönster på tvådimensionella (2-D) material, som supergaller, som nu är avgörande för både akademisk och industriell forskning. "

"Vårt koncept att bryta ytsymmetri kan användas för olika ändamål som att generera molekylära kretsar i molekylär elektronik och kontrollera cellkemotaxi inom biovetenskap, säger Miyauchi.

"Vi hoppas att vår upptäckt kommer att leda till ett distinkt genombrott inom inte bara kemi utan inom relaterade områden som involverar molekylära nanostrukturer och deras anpassning, säger Itami, chefen för JST-ERATO-projektet och centerchefen för ITbM.