(Phys.org)—I ricercatori della Technische Universität München in Germania sono riusciti a legare covalentemente la porfina al bordo di un foglio di grafene su un substrato di Ag(111) utilizzando l'accoppiamento covalente assistito dalla superficie. Ciò fornisce una prova di principio secondo cui i bordi del grafene possono essere funzionalizzati con tetrapirroli in modo preciso. Per di più, il loro lavoro mostra che la struttura grafene-porfina mantiene le sue proprietà elettroniche e leganti i metalli. Il loro lavoro appare in Chimica della natura .

"I nostri risultati aprono nuove prospettive per la funzionalizzazione controllata delle nanostrutture di grafene e l'incorporamento di porfini in fogli di grafene, " commenta il professor Willi Auwärter, coautore di questo studio. "Siamo entusiasti del potenziale delle strutture risultanti di catalizzare reazioni chimiche distinte e anticipare le applicazioni nell'elettronica molecolare, sensoristica e optoelettronica."

tetrapirroli, molecole che contengono l'anello pirrolico eterociclico a cinque membri, sono strutture chiave per diverse importanti molecole biologiche. Emoglobina e clorofilla, Per esempio, sono tetrapirroli noti come porfirine. Le porfirine coordinano un metallo al centro dell'anello tetrapirrolico. Inoltre, i tetrapirroli sono molecole stabili che possono ospitare una varietà di gruppi funzionali. La loro struttura elettronica delocalizzata, così come le loro proprietà di legare i metalli, li rende uno studio interessante per l'elettronica molecolare.

In questo studio, porfina, il tetrapirrolo più semplice, era legato covalentemente a un bordo di grafene. Mentre studi precedenti di altri gruppi hanno collegato le porfirine ai fogli di grafene, lo hanno fatto utilizzando un percorso chimico più tradizionale in cui l'ossido di grafene viene fatto reagire con la porfirina in soluzione. Questo porta ad una miscela di prodotti e ad uno scarso controllo sui punti di attacco della porfirina, che non è favorevole alla precisione necessaria per l'elettronica molecolare.

Lui, et al. ha utilizzato un accoppiamento assistito dalla superficie per collegare covalentemente la porfina al grafene. Hanno scelto un substrato Ag(111) a causa della loro esperienza con le reazioni di deidrogenazione assistita in superficie con porfine e perché Ag(111) interagisce solo debolmente con il grafene.

Secondo il documento di ricerca, l'obiettivo era utilizzare la superficie sia come piattaforma per la sintesi del grafene sia per mediare la reazione di accoppiamento. I bordi del grafene dovevano essere puliti e ben definiti e la reazione con il porfina doveva essere precisa e controllata. L'Ag(111) lo consente.

Una volta che il grafene è cresciuto sulla superficie di Ag(111), le porfine a base libera sono state depositate a vapore a temperatura ambiente e quindi la superficie è stata riscaldata a oltre 620 K per indurre la reazione di accoppiamento. La microscopia a effetto tunnel (STM) e la microscopia a forza atomica (AFM) senza contatto con una punta CO-funzionalizzata hanno mostrato che i singoli porfini sembravano essere collegati in modo covalente ai bordi del grafene. I loro studi hanno mostrato che il legame della porfina si verificava in quattro configurazioni:1) un legame C-C tra la porfina e il bordo del grafene nella posizione sul pirrolo; 2) due legami C-C tra i carboni pirrolici e il foglio di grafene; 3) tre legami C-C, uno su un carbonio pirrolo, uno legato al carbonio tra due dei pirroli, e l'altro su una seconda posizione β pirrolica; 4) quattro legami C-C con una struttura di legame pirrolo-carbonio-pirrolo simile alla configurazione 3, ma con un ulteriore C-C su uno dei pirroli.

Dopo aver drogato il substrato con CO, le immagini STM hanno mostrato che alcuni dei porfini avevano un centro sporgente che si presentava come un punto luminoso. Queste sporgenze erano probabilmente molecole di CO attaccate al centro metallico del tetrapirrolo. Ciò significa che un atomo di Ag è stato coordinato al centro del tetrapirrolo dimostrando che anche quando legato covalentemente al grafene, la porfina ha mantenuto le sue proprietà di metallo-coordinazione.

Ulteriori test hanno mostrato che la conduttività del grafene ai bordi dove erano attaccati i porfini non cambiava sostanzialmente. La stabilità termica della struttura grafene-porfina è stata testata mediante ricottura graduale del campione. Gli autori notano che c'è stato un aumento del 17% nella percentuale di molecole legate al grafene dopo la ricottura del campione fino a 770 K. Il grafene viene ricotto ad Ag(111) a 900 K. Quando il test di stabilità termica è stato portato a questa temperatura, Lui, et al. ancora osservate le profine legate ai bordi del grafene, in particolare i porfini che hanno tre e quattro atomi di carbonio legati al bordo del grafene.

Questo studio ha dimostrato un modo controllato e preciso per attaccare le strutture del tetrapirrolo ai bordi del grafene. Ciò ha importanti implicazioni per ulteriori ricerche nell'elettronica molecolare, sensori, e catalisi.

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