Fig.1 Structuur en spindichtheidsverdeling van trianguleen. Krediet: Shinobu Arikawa et al.
Sinds de eerste gerapporteerde productie in 2004, hebben onderzoekers hard gewerkt met het gebruik van grafeen en soortgelijke op koolstof gebaseerde materialen om een revolutie teweeg te brengen in elektronica, sport en vele andere disciplines. Nu hebben onderzoekers uit Japan een ontdekking gedaan die het lang ongrijpbare veld van nanograafeenmagneten zal bevorderen.
In een recent gepubliceerd onderzoek in Tijdschrift van de American Chemical Society, hebben onderzoekers van de Universiteit van Osaka en samenwerkende partners een kristallijn nanograafeen gesynthetiseerd met magnetische eigenschappen die theoretisch zijn voorspeld sinds de jaren 1950, maar tot nu toe experimenteel niet bevestigd waren, behalve bij extreem lage temperaturen.
Grafeen is een enkellaags, tweedimensionaal vel koolstofringen gerangschikt in een honingraatrooster. Waarom prikkelt grafeen onderzoekers? Grafeen heeft indrukwekkende eigenschappen: het vertoont een efficiënt transport over lange afstanden en is veel sterker dan staal van vergelijkbare dikte. Nanostructuren van grafeen hebben randen die magnetische en elektronische eigenschappen vertonen die onderzoekers graag zouden willen benutten. Grafeen nanosheets zijn echter moeilijk te bereiden en het is moeilijk om hun zigzagrandeigenschappen te bestuderen. Het overwinnen van deze uitdagingen door een eenvoudiger, maar geavanceerd modelsysteem te gebruiken dat bekend staat als trianguleen, is iets dat de onderzoekers van de Universiteit van Osaka wilden aanpakken.
Fig.2 Spindichtheidsverdeling van trianguleen en ruimtevullend model en kristalstructuur van trianguleenderivaten. Krediet: Shinobu Arikawa et al.
“Trianguleen heeft lang de synthese in kristallijne vorm ontgaan vanwege de ongecontroleerde polymerisatie”, zeggen zowel Shinobu Arikawa als Akihiro Shimizu, twee hoofdauteurs van het onderzoek. “We hebben deze polymerisatie voorkomen door sterische bescherming – het molecuul op te vullen – en deden dit op een manier die de onderliggende eigenschappen niet beïnvloedde.”
Het trianguleenderivaat van de onderzoekers is stabiel bij kamertemperatuur, maar moet in een inerte atmosfeer worden bewaard omdat het langzaam degradeert bij blootstelling aan zuurstof. Desalniettemin was kristallisatie mogelijk, waardoor de theoretisch voorspelde eigenschappen ervan konden worden bevestigd, zoals de lokalisatie van ongepaarde elektronen op de zigzagranden van het molecuul.
“Door de optische en magnetische eigenschappen te meten, hebben we bevestigd dat ons molecuul zich in de triplet-grondtoestand bevindt”, legt Ryo Shintani, senior auteur, uit. “Dit is een elektronische toestand die kan dienen als een experimenteel hanteerbaar model voor nanograafeen met zigzagranden.”
Deze resultaten hebben belangrijke toepassingen. Onderzoekers kunnen de lang gezochte synthetische procedure die hier wordt gerapporteerd uitbreiden om het aantal koolstofringen in het molecuul te vergroten en chemische syntheses van geavanceerde vormen van nanograafeen uit te voeren. Door dit te doen, kunnen onderzoekers van de Osaka University en de Osaka City University mogelijk materialen synthetiseren die de basis vormen voor toekomstige geavanceerde elektronica en magneten, en het silicium aanvullen dat alomtegenwoordig is in moderne elektronica.
Shinobu Arikawa et al, Synthese en isolatie van een kinetisch gestabiliseerd kristallijn trianguleen, Tijdschrift van de American Chemical Society (2021). DOI: 10.1021/jacs.1c10151
Tijdschrift van de American Chemical Society
Geleverd door de Universiteit van Osaka
