3D-ontwerp leidt tot eerste stabiele en sterke zelfassemblerende 1D-nanografiedraden

Nanographene is flexibel, maar toch sterker dan staal. Met unieke fysische en elektronische eigenschappen, bestaat het materiaal uit koolstofmoleculen met een dikte van slechts één atoom, gerangschikt in een honingraatvorm. De huidige fabricagemethoden zijn nog vroeg in de technologische ontwikkeling en vereisen de toevoeging van substituenten om een ​​uniform materiaal te verkrijgen. Methoden zonder additieven resulteren in dunne, breekbare vezels – tot nu toe.

Een internationaal team van onderzoekers heeft zelfassemblerende, stabiele en sterke nanografiedraden ontwikkeld. De resultaten werden op 24 maart gepubliceerd in Tijdschrift van de American Chemical Society​

Het team, geleid door Yasutomo Segawa, universitair hoofddocent aan het Institute for Molecular Science, onderdeel van de National Institutes of Natural Science in Japan, trachtte gebogen, oneindig stapelende nanografen te synthetiseren – zoals aardappelchips in een kartonnen blik – die kunnen worden samengevoegd tot nanodraden.

“Effectief gestapelde koolwaterstofdraden hebben het potentieel om te worden gebruikt als een verscheidenheid aan nano-halfgeleidermaterialen,” zei Segawa. “Vroeger was het nodig om substituenten te introduceren die niet gerelateerd zijn aan of de gewenste elektronische functie verhinderen om de assemblage van de draden te regelen.”

Door substituenten of additieven uit het fabricageproces te verwijderen, kunnen onderzoekers volgens Segawa moleculaire materialen ontwikkelen die een specifieke, gewenste elektronische functie hebben. Met dit doel voor ogen ontwikkelde het team een ​​molecuul genaamd ‘bitten’ warped nanographene (bWNG), met 68 koolstofatomen en 28 waterstofatomen die een ‘gebeten appel’-vorm vormen. Gemaakt als een oplossing, wanneer het gedurende 24 uur wordt verdampt in aanwezigheid van hexaan – een ingrediënt in benzine met zes koolstofatomen – wordt bWNG een gel.

De onderzoekers probeerden de moleculen van de oorspronkelijke oplossing te herkristalliseren om de specifieke structuur van de bWNG-gel te onderzoeken door middel van röntgenkristallografie. Deze techniek kan de atomaire en moleculaire structuur van een kristal onthullen door de structuur te bestralen met röntgenstralen en te observeren hoe ze diffracteren.

“We hebben vele malen geprobeerd om de structuur te herkristalliseren, maar die groeide tot slechts een paar honderd nanometer,” zei Segawa, die opmerkte dat deze grootte veel te klein is voor röntgenkristallografie. “Alleen door elektronendiffractie, een nieuwe methode om de structuur van organische materialen te bepalen, konden we de structuur analyseren.”

Elektronendiffractie is vergelijkbaar met röntgenkristallografie, maar het gebruikt elektronen in plaats van röntgenstralen, wat resulteert in een patroon van interferentie met het monstermateriaal dat de interne structuur aangeeft.

Ze ontdekten dat de bWNG-gel bestond uit dubbelstrengs nanovezels met dubbele helix die zichzelf samenstelden uit gebogen, stapelbare nanografen.

“De structuur van de nanovezels is een dubbelstrengs dubbele helix, die zeer stabiel en daarom sterk is”, zei Segawa. “Vervolgens willen we een halfgeleiderdraad realiseren die volledig uit koolstofatomen bestaat.”