Le simulazioni al computer mostrano che i nanonastri di grafene possono crescere dal polimero di antracene su una superficie d'oro in un modo che ricorda l'effetto domino. Credito immagine:Jonas Björk, Creatore. ©2011 Società Chimica Americana
(PhysOrg.com) -- Mentre molti laboratori stanno cercando di sintetizzare in modo efficiente grandi fogli bidimensionali di grafene, un team di ricercatori svedesi e britannici sta studiando la sintesi di sottilissime strisce di grafene larghe solo pochi atomi. A differenza del grafene, questi nanonastri di grafene hanno una struttura elettronica unica che include un gap di banda diverso da zero, che li rende candidati promettenti per le applicazioni dei semiconduttori. Ma, come con i fogli di grafene, una delle maggiori sfide per ora è trovare un modo per sintetizzare in modo efficiente questi nanonastri di grafene.
Nel loro studio, i ricercatori Jonas Björk e Sven Stafström dell'Università di Linköping in Svezia e Felix Hanke dell'Università di Liverpool nel Regno Unito hanno utilizzato un potente supercomputer dell'Università di Linköping per studiare come crescono i nanonastri di grafene da un polimero di antracene su un substrato d'oro. I risultati del loro studio sono pubblicati in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .
Gli scienziati hanno scoperto che, nel più probabile processo di crescita dei nanonastri, il substrato d'oro funge da più di un semplice supporto dove può avvenire la reazione. L'oro in realtà catalizza la reazione attirando atomi di idrogeno dal polimero di antracene (che è costituito da anelli di benzene) per legarsi alla superficie dell'oro, dando inizio alla prima fase della reazione. In questo processo di “deidrogenazione”, due atomi di idrogeno da ciascuna unità del polimero di antracene vengono trasferiti sulla superficie dell'oro, lasciando dietro di sé un legame carbonio-carbonio. Il legame carbonio-carbonio fa parte del reticolo a nido d'ape del grafene. Nel frattempo, gli atomi di idrogeno vengono rilasciati dalla superficie dell'oro attraverso il desorbimento nel vuoto.
Il supercomputer ha anche rivelato che questa reazione di deidrogenazione si ripete a causa degli effetti della cooperatività positiva:quando un'unità polimerica ha un vicino che ha un legame carbonio-carbonio, aumenta la sua probabilità di subire la stessa reazione e di ottenere il proprio legame carbonio-carbonio. Il risultato è che la reazione, che parte da un'estremità del polimero, si propaga unità per unità attraverso l'intero polimero in modo simile a un domino. Dopo alcuni minuti, l'intero polimero viene trasformato in un nanonastro di grafene ben definito con una larghezza di sette atomi di carbonio.
Capire come i nanonastri di grafene vengono sintetizzati in questo modo è un complicato processo su scala molecolare che può essere svelato nei dettagli solo da potenti supercomputer. Sebbene ci siano alcune altre vie di reazione che la reazione potrebbe prendere, i ricercatori hanno calcolato che questa reazione è molto favorita rispetto alle altre:hanno stimato che 10, 000 reazioni procedono lungo questo percorso rispetto alla seconda reazione più favorevole. La comprensione della reazione consentirà ai ricercatori di identificare il miglior metodo di fabbricazione per futuri esperimenti e sviluppi.
“Questa è una domanda su come costruire materiali, o "dal basso verso l'alto" (sintesi dai suoi componenti) vs. "dall'alto verso il basso" (prendendo qualcosa di più grande e tagliandolo a misura), "Ha detto Hanke PhysOrg.com . "L'approccio dal basso verso l'alto nell'approccio dei nanonastri di grafene è molto interessante in quanto ci consente di iniziare con il limite massimo di dimensione per un materiale (un atomo, o, dire, una piccola molecola) e poi aggiungere solo quei pezzi che sono veramente, veramente necessario. Inoltre, ci consente anche di realizzare nanonastri di grafene che hanno costantemente la stessa larghezza di, dire, sette Angstrom (7x10 -10 m), semplicemente assicurandosi che gli ingredienti siano solo poliantraceni e non qualcosa di molto più grande. Questo suona banale, ma in realtà è molto difficile da ottenere con approcci dall'alto verso il basso, soprattutto se si desidera la precisione atomica”.
Le applicazioni dei nanonastri di grafene (e del grafene stesso) sono ancora nelle primissime fasi, ma le loro proprietà fanno sembrare i materiali promettenti. Precedenti studi hanno dimostrato che il controllo delle larghezze e delle strutture dei bordi dei nanonastri di grafene può regolare le proprietà elettroniche dei nastri, che potrebbe portare all'elettronica a base molecolare come i transistor. Acquisendo una migliore comprensione di come crescono i nanonastri di grafene, compreso il ruolo catalitico del substrato d'oro e l'effetto domino della reazione, gli scienziati hanno compiuto un altro passo verso questa tecnologia futura.
"Il principale clamore dietro i nanonastri di grafene è che dovresti essere in grado di usarli per applicazioni di semiconduttori, che è dovuto alla loro struttura elettronica altamente desiderabile che è diversa dalla struttura elettronica del grafene, "Ha detto Hanke. “La bellezza dei nanonastri di grafene è che la loro risposta elettronica è determinata semplicemente dalla loro forma. Perciò, essere in grado di comprendere e costruire nanonastri di grafene in modo controllato è un processo molto importante per il continuo sviluppo dell'elettronica. In particolare per i nanonastri a base di antracene, abbiamo una larghezza che è ancora circa 30 volte inferiore a quella disponibile nell'attuale elettronica basata sui semiconduttori.
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