Fabbricazione di nanostrutture allineate cristallograficamente. Processo di fabbricazione per i nanonastri di grafene e le catene di nanoparticelle d'oro basate sui nanofili allineati sul grafene. Credito:(c) Nanotecnologia della natura , doi:10.1038/nnano.2015.36
(Phys.org)—Grafene, una forma bidimensionale di carbonio, ha molte proprietà che lo rendono particolarmente adatto per i nanodispositivi. Per uno, anche se è composto da una rete di atomi di carbonio, mostra una conduttività straordinaria attraverso la sua rete di elettroni . Inoltre, il grafene è poco costoso, substrato flessibile, rendendolo un'opzione pratica per la costruzione del dispositivo. Molti gruppi sono interessati ai modi per allineare i nanomateriali sulle superfici del grafene piuttosto che alla funzionalizzazione del grafene, che cambia alcune delle proprietà desiderabili del grafene.
Un team di ricercatori dell'Università di Tokyo, l'Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia, l'Università della California a Berkeley, l'Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan, Università di Harvard, Università di Konkuk, e il Lawrence Berkeley National Laboratory hanno scoperto che i nanofili di cianuro d'oro (I) (AuCN) si assemblano su grafene incontaminato in condizioni blande. Hanno determinato che questi nanofili si allineano spontaneamente con il reticolo a zigzag del grafene, consentendo studi sulla natura strutturale del grafene e la progettazione controllata di nanostrutture inorganiche. Il loro lavoro appare in Nanotecnologia della natura .
Una delle difficoltà nell'incorporare molecole inorganiche nel grafene è che il grafene è chimicamente inerte. La maggior parte degli sforzi per produrre uno strato inorganico su un substrato di grafene implica l'utilizzo di grafene che presenta difetti o la reazione con i bordi di un nastro di grafene. Questo studio è unico in quanto i nanofili si sono formati sul grafene incontaminato. È importante sottolineare che gli studi hanno confermato che il grafene è rimasto intatto anche dopo la formazione dei nanofili. I nanofili sono stati rimossi utilizzando una soluzione basica, producendo grafene incontaminato. Per di più, ulteriori studi con vari tipi di superfici in carbonio hanno mostrato che i nanofili AuCN crescono preferibilmente su superfici incontaminate di grafene.
La sintesi dei nanofili AuCN è stata condotta in condizioni relativamente miti. Tipicamente, questo tipo di reazione inorganica in cui un composto viene fatto reagire su un substrato come il grafene, viene eseguita utilizzando la deposizione chimica da vapore. La deposizione chimica da vapore viene eseguita in condizioni di temperatura e pressione difficili. Lee et al. riportano una sintesi in cui grafene monostrato e oro solido vengono posti in una soluzione acquosa di 250 mM di persolfato di ammonio a temperatura ambiente per 17 ore. L'oro può essere nanoparticelle d'oro o una microstruttura d'oro, a seconda degli obiettivi della reazione. L'acido ossida l'oro per formare nanofili. Il grafene funge da substrato per la nucleazione e la crescita dei nanofili.
Gli studi di caratterizzazione hanno dimostrato che i nanofili erano composti esclusivamente da AuCN. Per di più, i nanofili AuCN formano una struttura a nanonastro sulla superficie del grafene in modo tale da essere analoga alla struttura reticolare a zigzag del grafene. Questa è una scoperta chiave perché le caratteristiche del reticolo di grafene possono essere studiate osservando l'orientamento dei nanonastri AuCN. Di solito lo studio della struttura reticolare del grafene richiede una preparazione speciale del campione e requisiti di substrato che possono richiedere molto tempo. Però, osservando le proprietà del nanonastro AuCN usando una tecnica come la microscopia elettronica a scansione, che richiede una preparazione minima del campione, si possono distinguere più facilmente i bordi dei grani del grafene e altre caratteristiche.
Poiché i nanofili seguiranno la struttura reticolare del grafene, Lee et al. dimostrato che si può controllare l'orientamento delle nanostrutture. Sono stati in grado di fabbricare nanonastri di grafene di alta qualità che seguono un particolare orientamento reticolare. Sono stati anche in grado di fabbricare catene di nanoparticelle d'oro allineate con la direzione del reticolo a zigzag del grafene.
A causa delle condizioni unicamente inerti per questa reazione, Lee et al. ha condotto calcoli di primo principio per capire cosa ha promosso questa formazione di nanofili indotta dal substrato, che possono fornire indizi per lo sviluppo di un meccanismo generale per la produzione di nanomateriali in condizioni inerti.
Hanno scoperto che AuCN ha mantenuto la sua struttura cristallina esagonale e il grafene ha mantenuto la sua sp 2 struttura in carbonio. La differenza tra gli strati tra i cristalli di AuCN e il foglio di grafene è quasi la stessa della differenza tra gli strati di Au (1 1 1) e il grafene. Ciò suggerisce che l'interazione primaria è tra il grafene e l'atomo d'oro in AuCN. Però, l'energia di legame per AuCN sul grafene è molto più alta di quella per Au(1 1 1), suggerendo che gli elettroni π di quel grafene interagiscono con l'oro povero di elettroni in AuCN. Questa interazione unica potrebbe essere l'impulso dietro il legame spontaneo tra i nanofili e il grafene, e può essere una proprietà che può essere utilizzata per costruire altri nanomateriali.
Globale, Lee et al. hanno dimostrato una facile sintesi di nanofili AuCN modello di grafene che si allineano spontaneamente con il reticolo a zigzag del grafene incontaminato. Ciò consente una migliore caratterizzazione delle proprietà dei cristalli di grafene e il controllo dell'orientamento dei nanomateriali fabbricati. L'interazione tra gli elettroni e l'atomo d'oro in AuCN senza disturbare la rete di carbonio del grafene è un'interazione unica che può essere sfruttata per ulteriori studi nella costruzione di nanodispositivi.
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