Anche se il nanografene è insolubile in acqua e solventi organici, I ricercatori della Kumamoto University (KU) e del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno trovato un modo per dissolverlo in acqua. Utilizzando "contenitori molecolari" che incapsulano molecole insolubili in acqua, i ricercatori hanno sviluppato una procedura di formazione per uno strato di nanografene che interagisce chimicamente con la sostanza sottostante, semplicemente mescolando i contenitori molecolari e il nanografene insieme in acqua. Il metodo dovrebbe essere utile per la fabbricazione e l'analisi di nanomateriali funzionali di prossima generazione.

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in forma di foglio. È più leggero del metallo con caratteristiche elettriche superiori, e ha attirato l'attenzione come materiale di nuova generazione per l'elettronica. Grafene di dimensioni nanometriche definito strutturalmente, cioè nanografene, ha proprietà fisiche diverse dal grafene. Sebbene il nanografene sia un materiale attraente per semiconduttori organici e dispositivi molecolari, il suo gruppo molecolare è insolubile in molti solventi, e le sue proprietà fisiche fondamentali non sono sufficientemente comprese.

Le micelle possono essere utilizzate per dissolvere sostanze insolubili in acqua. Il sapone è un esempio familiare di micella. Quando le micelle di sapone si mescolano con l'acqua, iniziano a formarsi bolle idrofobe all'interno e idrofile all'esterno. Queste bolle intrappolano lo sporco a base di olio e facilitano il lavaggio con acqua. Il Dr. Michito Yoshizawa di Tokyo Tech ha utilizzato questa proprietà delle micelle per sviluppare capsule micelle anfipatiche (molecole che hanno proprietà sia idrofobe che idrofile). Ampliando il lavoro del Dr. Yoshizawa, i ricercatori della KU hanno sviluppato una capsula micellare per gruppi di composti di nanografene insolubili.

I ricercatori della KU hanno utilizzato capsule micelle composte da strutture chimiche specifiche (antracene) come contenitori molecolari e hanno abilmente fatto uso delle interazioni molecolari per assorbire in modo efficiente le molecole di nanografene nelle capsule. Le capsule micelle si comportano come regali di Babbo Natale, le molecole di nanografene altamente idrofobiche (il giocattolo) all'interno della capsula (la scatola/carta da imballaggio) vengono trasportate sulla superficie del substrato d'oro (Au) sott'acqua (l'albero di Natale). Le capsule micelle subiscono quindi un cambiamento di stato molecolare (equilibrio) nella soluzione acquosa acida. Il nanografene che si trovava all'interno della micella viene adsorbito e organizzato sul substrato di Au, poiché senza il suo 'involucro protettivo' non si dissolve in acqua.

Utilizzando un microscopio a tunnel a scansione elettrochimica (EC-STM), che risolve superfici materiali a livello atomico, i ricercatori hanno osservato con successo tre tipi di molecole di nanografene (ovalene, circobifenile, e dicoronilene) in risoluzione su scala molecolare per la prima volta al mondo. Le immagini hanno mostrato che le molecole adsorbite sul substrato di Au erano regolarmente allineate e formavano un adlayer molecolare 2-D altamente ordinato.

Questo metodo di fabbricazione di adlayer molecolare utilizza molecole con limitazioni di solubilità, ma può essere utilizzato anche per altri tipi di molecole. Inoltre, dovrebbe attirare l'attenzione come tecnologia ecologica poiché non richiede l'uso di solventi organici nocivi. Il team di ricerca si aspetta che apra nuove porte alla ricerca scientifica sul nanografene.

"Un paio d'anni fa, KU ha affrontato sfide significative a causa dei terremoti di Kumamoto del 2016. Mentre ci stavamo riprendendo da questo disastro, Tokyo Tech ha accettato studenti universitari senior del nostro laboratorio come revisori speciali. Questo progetto di ricerca collaborativa è iniziato da quel punto. I risultati di questo lavoro sono il risultato diretto della rapida risposta e della gentile collaborazione di Tokyo Tech durante la difficile situazione che abbiamo affrontato qui a Kumamoto. Apprezziamo davvero la loro generosa assistenza, " ha affermato il leader del progetto, il professore associato Soichiro Yoshimoto dell'Università di Kumamoto. "Il metodo che abbiamo sviluppato può essere applicato anche a un gruppo di molecole con una struttura chimica più ampia. Ci aspettiamo che questo lavoro porti allo sviluppo di fili molecolari, nuovi materiali della batteria, crescita di cristalli a film sottile da precisi disegni molecolari, e l'ulteriore delucidazione delle proprietà fisiche fondamentali."

Questo risultato della ricerca è stato pubblicato nel Angewandte Chemie Edizione Internazionale il 23 ^rd di ottobre 2018.