Делаем графеновые наноленты стабильными

 

Сканирующее зондовое микроскопическое изображение реактивной (слева) и защищенной (справа) графеновой наноленты. (Фото: physicsworld.com)

Графеновые наноструктуры с зигзагообразными краями демонстрируют большие технологические перспективы благодаря своим превосходным электронным и магнитным свойствам. К сожалению, высокореактивные края этих так называемых графеновых нанолент (ГНЛ) быстро разрушаются при воздействии воздуха, что ограничивает их практическое применение. Команда из Испании и Чехии разработала две новые стратегии их защиты. Эти стратегии также могут быть распространены на другие типы технологически важных наноструктур на основе углерода.

GNR особенные, потому что поведение их электронов можно настроить от металлического до полупроводникового, просто регулируя длину или ширину лент, изменяя структуру их краев или добавляя в них неуглеродные атомы. Материалы также можно сделать магнитными, используя эти методы. Универсальность GNR делает их многообещающими строительными блоками для множества приложений, включая квантовые технологии.

Проблема в том, что исключительные свойства ЗНС обусловлены наличием зигзагообразных сегментов вдоль их краев, и эти сегменты (в отличие от ребер в форме кресла) неустойчивы на воздухе. Это означает, что GNR должны храниться в вакууме, что затрудняет их использование в реальных приложениях.

Конфигурация sp3 повышает устойчивость на воздухе

В новой работе участвуют три исследовательские группы — под руководством Димаса Г. де Отейза из Исследовательского центра наноматериалов и нанотехнологий (CINN) в Эль-Энтрего, Испания; Диего Пенья из CiQUS, Университет Сантьяго-де-Компостела; и Павел Елинек из Института физики Чешской академии наук — изучали узкие полоски графеновых нанолент с большой плотностью зигзагообразных краев. Они обнаружили, что при гидрировании атомы углерода в наноструктурах регибридизуются в sp3-конфигурацию, что повышает их стабильность на воздухе. Структуры можно вернуть в исходное состояние, просто нагрев их. В качестве альтернативы исследователи обнаружили, что они могут сделать наноструктуры стабильными, функционализировав их кетоновыми боковыми группами. Эта окисленная форма материала также устойчива к ряду других химических веществ и может быть преобразована обратно в исходную форму путем гидрирования и отжига в условиях вакуума. В обоих случаях защищенные ЗНС сохраняют электронные свойства исходных наноструктур.

«Наши стратегии защиты позволяют нам выводить эти молекулы из инертной вакуумной среды, не разрушая их», — говорит Отейза в Physics World. «Эти методы могут быть экстраполированы на различные GNR и углеродные наноструктуры, а также на различные функциональные группы, что позволяет использовать эти углеродные материалы с зигзагообразными краями в масштабируемых реальных приложениях».

Однако, прежде чем это станет возможным, Отейза и его коллеги признают, что есть проблемы, которые необходимо преодолеть. «Во-первых, этапы «снятия защиты» по-прежнему требуют условий вакуума», — объясняет Пенья. «Это означает, что, хотя мы можем поместить интересующие нас молекулы в соответствующие структуры устройств для масштабируемых приложений, устройства все равно должны работать в вакууме».

Поэтому потребуется дополнительный шаг, а именно защита структуры всего устройства на основе GNR таким образом, чтобы не повлиять на химический состав молекулы. «Это одна из основных проблем, которую нам необходимо решить, — говорит Елинек.

Источник