Realizzare un superreticolo con modelli di grafene idrogenato è il primo passo per rendere il materiale adatto alla chimica organica. Il processo è stato sviluppato nel laboratorio del chimico James Tour della Rice University. Credito:Tour Lab/Rice University
Il futuro si è illuminato per la chimica organica quando i ricercatori della Rice University hanno trovato un modo altamente controllabile per attaccare le molecole organiche al grafene incontaminato, rendendo il materiale miracoloso adatto a una gamma di nuove applicazioni.
Il laboratorio di riso del chimico James Tour, basandosi su una serie di scoperte precedenti nella manipolazione del grafene, ha scoperto un metodo in due fasi che ha trasformato quello che era un foglio di carbonio dello spessore di un singolo atomo in un superreticolo da utilizzare nella chimica organica. Il lavoro potrebbe portare a progressi nei sensori chimici a base di grafene, dispositivi termoelettrici e metamateriali.
Il lavoro è apparso questa settimana sul giornale online Comunicazioni sulla natura .
Il grafene da solo è inerte a molte reazioni organiche e, come un semimetallo, non ha banda proibita; questo limita la sua utilità in elettronica. Ma il progetto guidato dallo Zhengzong Sun del Tour Lab e dal laureato in Rice Cary Pint, ora ricercatore presso Intel, dimostrato che il grafene, il materiale più forte che ci sia a causa della natura robusta dei legami carbonio-carbonio, può essere reso adatto a nuovi tipi di chimica.
Finora non c'era modo di attaccare le molecole al piano basale di un foglio di grafene, detto Giro, T.T. e W.F. di Rice Chao Chair in Chimica nonché professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di informatica. "Andrebbero per lo più ai bordi, non l'interno, " ha detto. "Ma con questa tecnica in due fasi, possiamo idrogenare il grafene per creare uno schema particolare e quindi attaccare le molecole al punto in cui si trovavano quegli idrogeni.
I ricercatori di Rice hanno stampato i gufi, la mascotte dell'università, in atomi di idrogeno su un substrato di grafene, trasformandolo in un superreticolo di grafano adatto alla chimica organica. Come prova, hanno "illuminato" i gufi rivestendoli con un fluoroforo e osservandoli al microscopio a fluorescenza. Il grafene spegne la fluorescenza, ma le molecole brillano intensamente quando sono attaccate al superreticolo. Credito:Zhengzong Sun/Rice University
"Questo è utile per fare, Per esempio, sensori chimici in cui vuoi peptidi, Nucleotidi di DNA o saccaridi proiettati verso l'alto in punti discreti lungo un dispositivo. La reattività in quei siti è molto veloce rispetto al posizionamento delle molecole solo ai bordi. Ora dobbiamo scegliere dove andare".
La prima fase del processo prevedeva la creazione di un modello litografico per indurre l'attaccamento degli atomi di idrogeno a domini specifici della matrice a nido d'ape del grafene; questa ristrutturazione lo ha trasformato in un bidimensionale, superreticolo semiconduttore chiamato grafano. Gli atomi di idrogeno sono stati generati da un filamento caldo utilizzando un approccio sviluppato da Robert Hauge, un illustre membro della facoltà di chimica alla Rice e coautore dell'articolo.
Il laboratorio ha mostrato la sua capacità di punteggiare il grafene con isole di grafane finemente lavorate quando ha lasciato cadere un testo microscopico e un'immagine della classica mascotte del gufo di Rice, circa tre volte la larghezza di un capello umano, su un foglio minuscolo e poi lo spin-coating con un fluoroforo. Il grafene spegne naturalmente le molecole fluorescenti, ma il grafano no, così il gufo si è letteralmente illuminato quando è stato osservato con una nuova tecnica chiamata microscopia di spegnimento a fluorescenza (FQM).
FQM ha permesso ai ricercatori di vedere modelli con una risoluzione di appena un micron, il limite della litografia convenzionale a loro disposizione. La modellazione più fine è possibile con l'attrezzatura giusta, hanno ragionato.
Nel passaggio successivo, il laboratorio ha esposto il materiale ai sali di diazonio che hanno attaccato spontaneamente i legami carbonio-idrogeno delle isole. I sali avevano l'interessante effetto di eliminare gli atomi di idrogeno, lasciando una struttura di legami sp3 carbonio-carbonio che sono più suscettibili di ulteriore funzionalizzazione con altri organici.
"Quello che facciamo con questa carta è passare dal superreticolo grafene-grafano a un ibrido, un superreticolo più complicato, " disse Sole, che ha recentemente conseguito il dottorato alla Rice. "Vogliamo apportare modifiche funzionali ai materiali in cui possiamo controllare la posizione, i tipi di obbligazioni, i gruppi funzionali e le concentrazioni.
"In futuro - e potrebbero volerci anni - dovresti essere in grado di realizzare un dispositivo con un tipo di crescita funzionale in un'area e un'altra crescita funzionale in un'altra area. Funzioneranno in modo diverso ma faranno comunque parte di un compatto, dispositivo economico, " disse. "All'inizio, c'era pochissima chimica organica che potevi fare con il grafene. Ora possiamo fare quasi tutto. Questo apre molte possibilità".
