Även om nanografen är olösligt i vatten och organiska lösningsmedel, Forskare från Kumamoto University (KU) och Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har hittat ett sätt att lösa det i vatten. Använda "molekylära behållare" som kapslar in vattenolösliga molekyler, forskarna utvecklade en bildningsprocedur för ett nanografen-adlayer som kemiskt interagerar med det underliggande ämnet, genom att bara blanda de molekylära behållarna och nanografen tillsammans i vatten. Metoden förväntas vara användbar för tillverkning och analys av nästa generations funktionella nanomaterial.

Grafen är ett enda lager av kolatomer arrangerade i arkform. Den är lättare än metall med överlägsna elektriska egenskaper, och har uppmärksammats som nästa generations material för elektronik. Strukturellt definierad grafen i nanostorlek, dvs nanografen, har andra fysikaliska egenskaper än grafen. Även om nanografen är ett attraktivt material för organiska halvledare och molekylära enheter, dess molekylgrupp är olöslig i många lösningsmedel, och dess grundläggande fysikaliska egenskaper är inte tillräckligt förstådda.

Miceller kan användas för att lösa vattenolösliga ämnen i vatten. Tvål är ett välbekant exempel på en micell. När tvålmiceller blandas med vatten, bubblor som är hydrofoba på insidan och hydrofila på utsidan börjar bildas. Dessa bubblor fångar upp oljebaserad smuts och gör det lättare att tvätta bort med vatten. Dr. Michito Yoshizawa från Tokyo Tech använde denna egenskap hos miceller för att utveckla amfipatiska (molekyler som har både hydrofoba och hydrofila egenskaper) micellkapslar. Utvidgar Dr. Yoshizawas arbete, forskare vid KU utvecklade en micellekapsel för olösliga nanografenföreningsgrupper.

KU-forskarna använde micellekapslar sammansatta av specifika kemiska strukturer (antracen) som molekylära behållare och använde skickligt molekylinteraktioner för att effektivt ta in nanografenmolekyler i kapslarna. Micellkapslarna fungerar som julklappar, de mycket hydrofoba nanografenmolekylerna (leksaken) inuti kapseln (lådan/omslagspappret) transporteras till ytan av guldsubstratet (Au) under vattnet (julgranen). Micellkapslarna genomgår sedan en förändring av molekylärt tillstånd (jämvikt) i den sura vattenlösningen. Nanografenet som fanns inuti micellen adsorberas och organiseras på Au-substratet, eftersom det inte är löst i vatten utan dess "skyddande omslag".

Med hjälp av ett elektrokemiskt tunnelmikroskop (EC-STM), som löser materialytor på atomnivå, forskarna har framgångsrikt observerat tre typer av nanografenmolekyler (ovalen, cirkobifenyl, och dikoronylen) i molekylär skala upplösning för första gången i världen. Bilderna visade att molekylerna som adsorberades på Au-substratet var regelbundet inriktade och bildade ett högordnat 2-D molekylärt skikt.

Denna metod för tillverkning av molekylärt lager använder molekyler med löslighetsbegränsningar, men den kan också användas för andra typer av molekyler. Dessutom, den bör uppmärksammas som en miljövänlig teknik eftersom den inte kräver användning av skadliga organiska lösningsmedel. Forskargruppen förväntar sig att det kommer att öppna nya dörrar inom nanografenvetenskaplig forskning.

"För några år sedan, KU stod inför betydande utmaningar på grund av jordbävningarna i Kumamoto 2016. Medan vi återhämtade oss från denna katastrof, Tokyo Tech tog emot seniora studenter från vårt laboratorium som särskilda revisorer. Detta samarbetsprojekt startade från den punkten. Resultaten av detta arbete är ett direkt resultat av Tokyo Techs snabba respons och vänliga samarbete under den svåra situation vi stod inför här i Kumamoto. Vi uppskattar verkligen deras generösa hjälp, ", sa projektledaren docent Soichiro Yoshimoto vid Kumamoto University. "Metoden vi utvecklade kan också appliceras på en grupp molekyler med en större kemisk struktur. Vi förväntar oss att se detta arbete leda till utvecklingen av molekylära trådar, nya batterimaterial, tunnfilmskristalltillväxt från exakta molekylära konstruktioner, och ytterligare förtydligande av grundläggande fysikaliska egenskaper."

Detta forskningsresultat publicerades i Angewandte Chemie International Edition den 23 ^rd oktober 2018.