Een nieuwe en efficiënte manier om nanografieën te maken voor stroom- en weergaveapparaten

Nanografie is een materiaal dat zonnecellen, brandstofcellen, leds en meer radicaal kan verbeteren. De synthese van dit materiaal was doorgaans onnauwkeurig en moeilijk te controleren. Voor het eerst hebben onderzoekers een eenvoudige manier ontdekt om nauwkeurige controle te krijgen over de fabricage van nanografeen. Hiermee hebben ze licht geworpen op de voorheen onduidelijke chemische processen die betrokken zijn bij de productie van nanografieën.

Grafeen, één atoom dikke vellen koolstofmoleculen, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in toekomstige technologie. Eenheden grafeen staan ​​bekend als nanographene; deze zijn afgestemd op specifieke functies en als zodanig is hun fabricageproces ingewikkelder dan dat van generiek grafeen. Nanographeen wordt gemaakt door selectief waterstofatomen te verwijderen uit organische moleculen van koolstof en waterstof, een proces dat dehydrogenering wordt genoemd.

“Dehydrogenering vindt plaats op een metalen oppervlak zoals dat van zilver, goud of koper, dat als katalysator fungeert, een materiaal dat een reactie mogelijk maakt of versnelt”, zegt universitair docent Akitoshi Shiotari van de afdeling Advanced Materials Science. “Dit oppervlak is echter groot in vergelijking met de organische doelmoleculen. Dit draagt ​​bij aan de moeilijkheid om specifieke nanografeenformaties te maken. We hadden een beter begrip van het katalytische proces nodig en een nauwkeurigere manier om het te beheersen.”

Shiotari en zijn team, door verschillende manieren te onderzoeken om nanografeensynthese uit te voeren, kwamen met een methode die de precieze controle biedt die nodig is en die ook zeer efficiënt is. Ze gebruikten een gespecialiseerd soort microscoop, een atomic force microscope (AFM) genaamd, die details van moleculen meet met een nanoscopische naaldachtige sonde. Deze sonde kan niet alleen worden gebruikt om bepaalde kenmerken van individuele atomen te detecteren, maar ook om ze te manipuleren.

“We ontdekten dat de metalen sonde van de AFM koolstof-waterstofbruggen in organische moleculen kan verbreken”, zei Shiotari. “Het zou dat heel precies kunnen doen, aangezien zijn punt zo klein is, en het zou bindingen kunnen verbreken zonder dat er thermische energie nodig is. Dit betekent dat we nanografeencomponenten nu op een meer gecontroleerde manier dan ooit tevoren kunnen fabriceren.”

Om te verifiëren wat ze zagen, herhaalde het team het proces met een verscheidenheid aan organische verbindingen, in het bijzonder twee moleculen met zeer verschillende structuren, benzonoïden en niet-benzonoïden genaamd. Dit toont aan dat de betreffende AFM-sonde in staat is om waterstofatomen uit verschillende soorten materialen te trekken. Zo’n detail is belangrijk als deze methode moet worden opgeschaald naar een commercieel productiemiddel.

“Ik kan me voorstellen dat deze techniek de ultieme manier zou kunnen zijn om functionele nanomoleculen van onderaf te creëren”, zei Shiotari. “We kunnen een AFM gebruiken om andere stimuli toe te passen op doelmoleculen, zoals het injecteren van elektronen, elektronische velden of afstotende krachten. Het is opwindend om structuren op zo’n ongelooflijk minuscule schaal te kunnen zien, controleren en manipuleren.”