Hacer una superrejilla con patrones de grafeno hidrogenado es el primer paso para hacer que el material sea adecuado para la química orgánica. El proceso se desarrolló en el laboratorio de la Universidad Rice del químico James Tour. Crédito:Tour Lab / Rice University
El futuro se iluminó para la química orgánica cuando los investigadores de la Universidad de Rice encontraron una forma altamente controlable de unir moléculas orgánicas al grafeno prístino. haciendo que el material milagroso sea adecuado para una amplia gama de nuevas aplicaciones.
El laboratorio de Rice del químico James Tour, basándose en un conjunto de hallazgos previos en la manipulación del grafeno, descubrió un método de dos pasos que convirtió lo que era una hoja de carbono de un solo átomo de espesor en una superrejilla para su uso en química orgánica. El trabajo podría conducir a avances en sensores químicos basados en grafeno, dispositivos termoeléctricos y metamateriales.
El trabajo apareció esta semana en la revista online. Comunicaciones de la naturaleza .
El grafeno solo es inerte a muchas reacciones orgánicas y, como semimetal, no tiene banda prohibida; esto limita su utilidad en electrónica. Pero el proyecto dirigido por Cary Pint, graduado de Zhengzong Sun y Rice del Tour Lab, ahora investigador en Intel, demostró que el grafeno, el material más fuerte que existe debido a la naturaleza robusta de los enlaces carbono-carbono, puede adaptarse a nuevos tipos de química.
Hasta ahora no había forma de unir moléculas al plano basal de una hoja de grafeno, dijo Tour, T.T. y W.F. de Rice Cátedra Chao de Química y profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y de informática. "En su mayoría irían a los bordes, no el interior, ", dijo." Pero con esta técnica de dos pasos, podemos hidrogenar el grafeno para hacer un patrón particular y luego unir moléculas donde estaban esos hidrógenos.
Los investigadores de Rice imprimieron búhos, la mascota de la universidad, en átomos de hidrógeno sobre un sustrato de grafeno, convirtiéndolo en una superrejilla de grafano apta para la química orgánica. Como prueba, ellos "iluminaron" a los búhos cubriéndolos con un fluoróforo y viéndolos a través de microscopía de extinción de fluorescencia. El grafeno apaga la fluorescencia, pero las moléculas brillan intensamente cuando se unen a la superrejilla. Crédito:Universidad de Zhengzong Sun / Rice
"Esto es útil para hacer, por ejemplo, sensores químicos en los que desea péptidos, Los nucleótidos o sacáridos de ADN se proyectan hacia arriba en lugares discretos a lo largo de un dispositivo. La reactividad en esos sitios es muy rápida en relación con la colocación de moléculas justo en los bordes. Ahora podemos elegir a dónde van ".
El primer paso en el proceso implicó la creación de un patrón litográfico para inducir la unión de átomos de hidrógeno a dominios específicos de la matriz de panal de grafeno; esta reestructura lo convirtió en bidimensional, superrejilla semiconductora llamada grafano. Los átomos de hidrógeno fueron generados por un filamento caliente usando un enfoque desarrollado por Robert Hauge, distinguido miembro de la facultad de química de Rice y coautor del artículo.
El laboratorio mostró su capacidad para salpicar grafeno con islas de grafano finamente labradas cuando dejó caer un texto microscópico y una imagen de la clásica mascota del búho de Rice, aproximadamente tres veces el ancho de un cabello humano, en una hoja diminuta y luego la revistió con un fluoróforo. El grafeno apaga naturalmente las moléculas fluorescentes, pero el grafano no, por lo que el búho se iluminó literalmente cuando se lo vio con una nueva técnica llamada microscopía de extinción de fluorescencia (FQM).
FQM permitió a los investigadores ver patrones con una resolución tan pequeña como una micra, el límite de la litografía convencional disponible para ellos. Es posible crear patrones más finos con el equipo adecuado, razonaron.
En el siguiente paso, el laboratorio expuso el material a sales de diazonio que atacaron espontáneamente los enlaces carbono-hidrógeno de las islas. Las sales tuvieron el interesante efecto de eliminar los átomos de hidrógeno, dejando una estructura de enlaces sp3 carbono-carbono que son más susceptibles de funcionalización adicional con otros orgánicos.
"Lo que hacemos con este artículo es pasar de la superrejilla de grafeno-grafano a un híbrido, una superrejilla más complicada, "dijo Sun, quien recientemente obtuvo su doctorado en Rice. "Queremos realizar cambios funcionales en los materiales en los que podamos controlar la posición, los tipos de bonos, los grupos funcionales y las concentraciones.
"En el futuro, y podrían pasar años, debería poder fabricar un dispositivo con un tipo de crecimiento funcional en un área y otro crecimiento funcional en otra área. Funcionarán de manera diferente pero seguirán siendo parte de un compacto, dispositivo barato, ", dijo." Al principio, había muy poca química orgánica que se pudiera hacer con el grafeno. Ahora podemos hacer casi todo. Esto abre muchas posibilidades ".
