Ricercatori dell'Università di Strasburgo e del CNRS (Francia), in collaborazione con l'Università di Mons (Belgio), il Max Planck Institute for Polymer Research (Germania) e la Technische Universität Dresden (Germania), hanno ideato una nuova strategia supramolecolare per introdurre potenziali periodici 1D sintonizzabili sull'autoassemblaggio di blocchi organici ad hoc su grafene, aprendo la strada alla realizzazione di materiali multistrato ibridi organico-inorganico con proprietà elettroniche e ottiche uniche. Questi risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Pile verticali di diversi cristalli bidimensionali (2-D), come il grafene, nitruro di boro, eccetera., tenute insieme da deboli forze di van der Waals sono comunemente chiamate "eterostrutture di van der Waals". Tali sofisticate strutture multistrato possono essere utilizzate come piattaforma versatile per lo studio di vari fenomeni su scala nanometrica. In particolare, la sovrapposizione meccanica dei cristalli 2-D genera potenziali periodici 2-D che conferiscono al sistema proprietà fisiche e chimiche non convenzionali.

Qui un team di ricercatori europei ha applicato un approccio supramolecolare per formare reticoli molecolari organici autoassemblati con una geometria controllata e precisione atomica sopra il grafene, inducendo potenziali periodici 1D nelle eterostrutture ibride organico-inorganico risultanti. Per quello scopo, gli elementi costitutivi molecolari sono stati accuratamente progettati e sintetizzati. Questi sono dotati di (i) una lunga coda alifatica, dirigendo l'autoassemblaggio e la periodicità del potenziale, e (ii) un gruppo di testa di diazirina fotoreattivo, il cui momento di dipolo modula il potenziale superficiale del foglio di grafene sottostante. Dopo l'irradiazione con luce ultravioletta (UV) prima della deposizione su grafene, la porzione diazirina viene scissa e si forma una specie reattiva di carbene. Quest'ultimo è incline a reagire con molecole di solvente, portando a una miscela di nuovi composti con diverse funzionalità.

L'imaging del microscopio a effetto tunnel a scansione (STM) è stato utilizzato per caratterizzare la disposizione su scala nanometrica dei reticoli supramolecolari formati su superfici di grafite e grafene, che determina la periodicità e la geometria dei potenziali indotti. La caratterizzazione elettrica è stata quindi eseguita su dispositivi ad effetto di campo a base di grafene per valutare l'effetto dei diversi strati organici autoassemblati sulle caratteristiche elettriche del materiale 2-D. Simulazioni computazionali hanno permesso di svelare le interazioni dell'assemblaggio molecolare con il grafene; un'analisi teorica ha ulteriormente confermato che l'origine degli effetti droganti è pienamente da attribuire all'orientamento dei dipoli elettrici nei gruppi di testa. Finalmente, un potenziale periodico con la stessa geometria ma una diversa intensità potrebbe essere generato da un reticolo supramolecolare preparato dopo l'irradiazione UV del mattone molecolare in un solvente diverso.

In questo modo, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che i reticoli supramolecolari organici sono adatti a creare potenziali periodici 1D controllabili sulla superficie del grafene. interessante, la periodicità, ampiezza e segno dei potenziali indotti possono essere pre-programmati e regolati mediante un'attenta progettazione molecolare. Questo approccio supramolecolare dal basso può essere esteso e applicato ad altri materiali inorganici 2-D come i dicalcogenuri di metalli di transizione, aprendo la strada a eterostrutture multistrato di van der Waals più complesse. Questi risultati sono di grande importanza per la realizzazione di materiali ibridi organico-inorganici con proprietà strutturali ed elettroniche controllabili con caratteristiche elettriche, magnetico, funzionalità piezoelettriche e ottiche.