Un grupo de científicos de la Universidad de Nagoya ha desarrollado un método simple y poderoso para construir estructuras de ensamblaje molecular perfectamente unidireccionales en grafeno, según un estudio publicado en la revista Informes científicos . Descubierto accidentalmente durante otra investigación, el método se basa en una herramienta de laboratorio común, la microscopía de fuerza atómica AFM, para controlar la alineación molecular.
El grafeno, que son láminas hechas de carbono, está atrayendo un gran interés de muchos científicos como un candidato poderoso para la próxima generación de materiales electrónicos debido a sus propiedades únicas. El desarrollo de un método confiable que permita la alineación perfecta de moléculas oLos ensamblajes moleculares en una superficie de grafeno pueden abrir el camino para ajustar las propiedades eléctricas del grafeno y mejorar el rendimiento de los dispositivos electrónicos basados en grafeno. Aunque ampliamente estudiado en los últimos años, el crecimiento de nanoestructuras moleculares bien alineadas exclusivamente en la dirección deseadasigue siendo difícil. Esto se debe a que la superficie de grafeno tiene una simetría triple, que son termodinámicamente equivalentes entre sí, lo que dificulta la alineación de las moléculas en una dirección orientada.
Para resolver este problema, un equipo dirigido por el Dr. Yuhei Miyauchi y el Profesor Kenichiro Itami del Proyecto de Nanocarbono Molecular Itami JST-ERATO y el Instituto de Biomoléculas Transformativas ITbM, se centró en los cambios físicos inducidos por el escaneo de la punta AFMAFM, una técnica utilizada principalmente para analizar superficies, produce imágenes que muestran la irregularidad de la superficie de las muestras al deslizar la punta de una sonda sobre el área de la superficie. El equipo sospechó que el escaneo de la punta modifica las condiciones termodinámicas en la superficie del grafeno y afecta la dirección de la alineación molecular..
El equipo investigó cómo el escaneo de la punta de AFM conduce a cambios en la alineación molecular en la superficie del grafeno. Usaron dodecil sulfato de sodio SDS, una molécula de surfactante común, como una molécula modelo. Los estudios han demostrado que SDS forma conjuntos en forma de cinta enla superficie de grafeno
Utilizando una bomba de microjeringa, la solución de SDS se inyectó lentamente en una multicapa de grafeno en una gotita de agua. El equipo comparó cómo las moléculas de SDS se adhirieron al grafeno, un proceso llamado adsorción no debe confundirse con la absorción, con y sinEscaneo de punta AFM.
Una imagen de altura de AFM registrada 1 hora después de la inyección de SDS mostró irregularidades aleatorias en la superficie, lo que indica una adsorción aleatoria de moléculas de SDS en la superficie de grafeno. Después de 15 minutos de escaneo intenso de AFM, la morfología de adsorción de SDS cambió drásticamente y muchasSe observaron moléculas. Este fenómeno indicó que la fuerza y la dirección del escaneo de la punta AFM afecta la orientación de las cintas SDS generadas.
"Descubrimos este fenómeno accidentalmente cuando estábamos llevando a cabo otro proyecto de investigación", dice el Dr. Liu Hong, un investigador postdoctoral que realizó principalmente los experimentos. "Notamos que mirando las imágenes de AFM, la cinta SDS creció en elmisma dirección orientada por escaneo de punta AFM "
"Realmente queríamos aclarar este fenómeno sorprendente", dice Yuhei Miyauchi, líder del grupo del proyecto JST-ERATO.
El equipo analizó la correlación entre la dirección de escaneo AFM y la orientación de la cinta observada. Descubrieron que las cintas SDS crecían fácilmente cuando el ángulo relativo entre el eje de crecimiento de la cinta y la dirección de escaneo es mayor. Además, los cálculos computacionales sugirieron que se absorbióLas moléculas SDS se eliminan realmente cuando se ven obligadas a rotar en condiciones de escaneo AFM. Las moléculas SDS adsorbidas con un ángulo relativamente grande a la dirección de escaneo de la punta AFM se giran y se eliminan fácilmente. Por lo tanto, las moléculas adsorbidas con ángulos pequeños a la punta AFMla dirección de escaneo actúa como el núcleo y crece hasta convertirse en la cinta SDS.
Sobre la base de su comprensión, el equipo trató de construir ensamblajes moleculares SDS perfectamente alineados en grafeno.
"La parte más difícil de esta investigación fue cómo controlar el crecimiento y la dirección de las cintas SDS con precisión", dice Hong. "Una vez que las cintas SDS crecieron, sus orientaciones no cambiaron bajo las condiciones de escaneo AFM. Tuvimos querealice escaneos rápidos de AFM a tiempo justo después de ese mismo momento en que las moléculas de SDS se inyectan en el agua en la superficie del grafeno "
En condiciones de exploración AFM finamente ajustadas, lograron construir conjuntos moleculares unidimensionales individuales, que se alinean a lo largo de un eje de simetría seleccionado de la red de grafeno.
"En el análisis AFM, los efectos mecánicos dinámicos de la muestra mediante el escaneo de la punta AFM se han considerado desfavorables", dice el Dr. Taishi Nishihara, un investigador postdoctoral que realizó los análisis estadísticos y analizó el mecanismo de este experimento ". Nuestrolos hallazgos sobre la utilidad oculta de los efectos inducidos por el escaneo de puntas AFM también pueden proporcionar información a otros investigadores en varios campos relacionados ".
"La mejor parte de esta investigación es que pudimos demostrar que la exploración AFM puede inducir el efecto de 'ruptura de simetría' del patrón molecular sobre el grafeno", dice Hong. "Puede ser muy importante para el crecimiento de anisotrópicospatrones moleculares en materiales bidimensionales 2D, como superredes, que ahora son esenciales en la investigación académica e industrial ".
"Nuestro concepto de romper la simetría de la superficie puede ser aplicable para diversos fines, como generar circuitos moleculares en la electrónica molecular y controlar la quimiotaxis celular en la biociencia", dice Miyauchi.
"Esperamos que nuestro descubrimiento conduzca a un avance distintivo no solo en química sino también en campos relacionados que involucren nanoestructuras moleculares y su alineación", dice Itami, director del proyecto JST-ERATO y director del centro de ITbM.
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Materiales proporcionado por Instituto de Bio-Moléculas Transformativas ITbM, Universidad de Nagoya . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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