Un gruppo di scienziati dell'Università di Nagoya ha sviluppato un metodo semplice e potente per costruire strutture di assemblaggio molecolare perfettamente unidirezionali sui grafeni, secondo uno studio riportato sulla rivista Rapporti scientifici . Scoperto accidentalmente durante altre ricerche, il metodo si basa su uno strumento di laboratorio comune, microscopia a forza atomica (AFM), per controllare l'allineamento molecolare.

Grafene, che sono lastre di carbonio, sta attirando un ampio interesse da molti scienziati come un potente candidato per la prossima generazione di materiali elettronici grazie alle loro proprietà uniche. Lo sviluppo di un metodo affidabile che consenta il perfetto allineamento di molecole o complessi molecolari su una superficie di grafene può aprire la strada alla messa a punto delle proprietà elettriche del grafene, e per migliorare le prestazioni dei dispositivi elettronici a base di grafene. Sebbene ampiamente studiato negli ultimi anni, la crescita di nanostrutture molecolari ben allineate esclusivamente lungo una direzione desiderata è ancora difficile. Questo perché la superficie del grafene ha una simmetria tripla, termodinamicamente equivalenti tra loro, rendendo così difficile l'allineamento delle molecole in una direzione orientata.

Per risolvere questo problema, un team guidato dal Dr. Yuhei Miyauchi e dal Professor Kenichiro Itami del JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project e dell'Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), focalizzato sui cambiamenti fisici indotti dalla scansione della punta AFM. AFM, una tecnica utilizzata principalmente per analizzare le superfici, produce immagini che mostrano l'irregolarità della superficie dei campioni facendo scorrere una punta della sonda sulla superficie. Il team sospettava che la scansione della punta modificasse le condizioni termodinamiche sulla superficie del grafene e influenzi la direzione dell'allineamento molecolare.

Il team ha studiato come la scansione della punta AFM porta a cambiamenti nell'allineamento molecolare sulla superficie del grafene. Hanno usato sodio dodecil solfato (SDS), una comune molecola di tensioattivo, come molecola modello. Gli studi hanno dimostrato che l'SDS forma assemblaggi a forma di nastro sulla superficie del grafene.

Utilizzando una pompa a microsiringa, la soluzione SDS è stata iniettata lentamente in un multistrato di grafene in una goccia d'acqua. Il team ha confrontato il modo in cui le molecole SDS hanno aderito al grafene, un processo chiamato adsorbimento (da non confondere con l'assorbimento), con e senza scansione della punta AFM.

Un'immagine dell'altezza AFM registrata 1 ora dopo l'iniezione di SDS ha mostrato irregolarità casuali sulla superficie, che indica l'adsorbimento casuale di molecole SDS sulla superficie del grafene. Dopo 15 minuti di intensa scansione AFM, la morfologia di adsorbimento SDS è cambiata drasticamente e sono state osservate molte molecole simili a nastri. Questo fenomeno ha indicato che la forza e la direzione della scansione della punta AFM influenza l'orientamento dei nastri SDS generati.

"Abbiamo scoperto questo fenomeno per caso mentre stavamo svolgendo un altro progetto di ricerca, "dice il dottor Liu Hong, un ricercatore post-dottorato che ha condotto principalmente gli esperimenti. "Abbiamo notato che guardando le immagini di AFM, il nastro SDS è cresciuto nella stessa direzione orientata dalla scansione della punta AFM."

"Volevamo davvero chiarire questo fenomeno sorprendente, "dice Yuhei Miyauchi, un capogruppo del progetto JST-ERATO.

Il team ha analizzato la correlazione tra la direzione di scansione AFM e l'orientamento del nastro osservato. Hanno scoperto che i nastri SDS crescono facilmente quando l'angolo relativo tra l'asse di crescita del nastro e la direzione di scansione è maggiore. Inoltre, calcoli computazionali hanno suggerito che le molecole SDS adsorbite vengono effettivamente rimosse quando sono costrette a ruotare nelle condizioni di scansione AFM. Le molecole SDS adsorbite con un angolo relativamente ampio rispetto alla direzione di scansione della punta dell'AFM vengono ruotate e vengono facilmente rimosse. Perciò, le molecole adsorbite con piccoli angoli rispetto alla direzione di scansione della punta dell'AFM fungono da nuclei e crescono fino a diventare il nastro SDS.

Sulla base delle loro intese, il team ha cercato di costruire assiemi molecolari SDS perfettamente allineati sul grafene.

"La parte più difficile di questa ricerca è stata come controllare con precisione la crescita e la direzione dei nastri SDS, " dice Hong. "Una volta che i nastri SDS sono stati cresciuti, il loro orientamento non è cambiato nelle condizioni di scansione AFM. Abbiamo dovuto eseguire scansioni AFM rapide in tempo proprio dopo il momento in cui le molecole SDS vengono iniettate nell'acqua sulla superficie del grafene".

In condizioni di scansione AFM finemente sintonizzate, sono riusciti a costruire singoli assemblaggi molecolari unidimensionali, che sono allineati lungo un asse di simmetria selezionato del reticolo di grafene.

"Nell'analisi AFM, gli effetti meccanici dinamici sul campione dalla scansione della punta AFM sono stati considerati sfavorevoli, "dice il dottor Taishi Nishihara, un ricercatore post-dottorato che ha condotto le analisi statistiche e analizzato il meccanismo di questo esperimento. "I nostri risultati sull'utilità nascosta degli effetti indotti dalla scansione della punta AFM possono anche fornire informazioni ad altri ricercatori in vari campi correlati".

"La parte migliore di questa ricerca è che siamo stati in grado di dimostrare che la scansione AFM può indurre l'effetto di "rottura della simmetria" del modello molecolare sul grafene, " dice Hong. "Può essere molto importante per la crescita di modelli molecolari anisotropi su materiali bidimensionali (2-D), come super reticoli, che sono ora essenziali sia nella ricerca accademica che in quella industriale."

"Il nostro concetto di rottura della simmetria superficiale può essere applicabile per vari scopi come la generazione di circuiti molecolari nell'elettronica molecolare e il controllo della chemiotassi cellulare nella bioscienza, "dice Miyauchi.

"Speriamo che la nostra scoperta porti a una svolta distintiva non solo nella chimica ma in campi correlati che coinvolgono le nanostrutture molecolari e il loro allineamento, " dice Itami, il direttore del progetto JST-ERATO e direttore del centro di ITbM.