La figura mostra la trasformazione dalla molecola precursore al superreticolo circumcoronene atomicamente preciso. (a) La molecola precursore subisce un processo chimico di ciclodeidrogenazione con l'uso del substrato di rame (111) che forma il circumcoronene. (b) Immagine ad alta risoluzione del superreticolo circumcoronene ottenuta utilizzando una microscopia a forza atomica senza contatto con una punta di cobalto. (c) Illustrazione schematica del reticolo chirale Kagome-nido d'ape. Credito:progressi scientifici
Gli scienziati del NUS hanno ideato un nuovo metodo per la sintesi di molecole di nanografene con un'elevata resa del prodotto per lo sviluppo di dispositivi quantistici di prossima generazione.
Le reazioni chimiche sulla superficie hanno mostrato potenziale nella sintesi di nuovi materiali funzionali organici come i nanografeni atomicamente precisi. Il concetto centrale di questa strategia si basa sulla progettazione razionale di specifici precursori molecolari, che successivamente subiscono trasformazione chimica lungo determinati percorsi di reazione verso il prodotto desiderato. L'elettronica, le proprietà magnetiche e ottiche di queste molecole di nanografene possono essere regolate con precisione per lo sviluppo di dispositivi quantistici di prossima generazione. Sfortunatamente, le vie sintetiche convenzionali assistite dalla superficie spesso implicano una serie di reazioni a cascata con vie di reazione concorrenti. Questo porta inevitabilmente alla formazione di numerosi prodotti indesiderati e ne abbassa la resa. La resa limitata dei prodotti mirati pone una sfida per le applicazioni pratiche dei nanografeni.
Un team di ricerca NUS guidato dal Prof Jiong Lu, in collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof Jishan Wu, sia dal Dipartimento di Chimica, NUS ha sviluppato un percorso per sintetizzare il nanographene esagonale con bordi a zig-zag, noto come circumcoronene, su un substrato di rame (111). Il percorso di reazione si basa sul robusto accoppiamento deidrogenante dei gruppi metilici nei siti adiacenti delle molecole precursori progettate razionalmente, seguite dalle reazioni di chiusura dell'anello sul substrato metallico. Questo forma la sfuggente molecola circumcoronene costituita da 19 anelli benzenici fusi. È importante sottolineare che tale via sintetica consente una resa ultra elevata del prodotto di reazione (fino al 98%), che ad oggi non è stato raggiunto.
Le interazioni elettrostatiche tra il gran numero di molecole di circumcoronene e il substrato di rame hanno consentito alle molecole di autoassemblarsi in estesi superreticoli. Questo è stato osservato dal team utilizzando misurazioni di microscopia a scansione con sonda risolta con legame. I ricercatori dimostrano che l'esclusiva topologia esagonale a zigzag dei circumcoroneni, insieme al loro paesaggio elettrostatico periodico, confina il gas di elettroni bidimensionale (2-D) sulla superficie di rame (111). Questo crea un reticolo chirale elettronico Kagome-nido d'ape con due bande piatte elettroniche emergenti. Questa disposizione delle molecole di circumcoronene in una griglia regolare di esagoni e triangoli può essere particolarmente interessante in un'ampia gamma di fisica della materia condensata a causa del loro potenziale favorevole nella realizzazione di una varietà di fenomeni esotici a molti corpi, inclusi stati quantistici anomali di Hall, Cristallizzazione di Wigner, e transizioni isolanti topologiche.
Il professor Lu ha detto, "I nostri risultati aprono una nuova strada per la sintesi ad altissima resa di nanografene e la fabbricazione atomicamente precisa di reticoli sintetici bidimensionali con proprietà elettroniche uniche per future applicazioni tecnologiche".
