Investigadores de la Universidad de Estrasburgo y CNRS (Francia), en colaboración con la Universidad de Mons (Bélgica), el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (Alemania) y la Technische Universität Dresden (Alemania), han ideado una nueva estrategia supramolecular para introducir potenciales periódicos 1D ajustables en el autoensamblaje de bloques de construcción orgánicos ad hoc en grafeno, abriendo el camino a la realización de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos multicapa con propiedades ópticas y electrónicas únicas. Estos resultados han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

Pilas verticales de diferentes cristales bidimensionales (2-D), como el grafeno, nitruro de boro, etc., que se mantienen unidas por fuerzas débiles de van der Waals se conocen comúnmente como "heteroestructuras de van der Waals". Estas sofisticadas estructuras multicapa se pueden utilizar como una plataforma versátil para la investigación de diversos fenómenos a nanoescala. En particular, La superposición mecánica de los cristales bidimensionales genera potenciales periódicos bidimensionales que imparten al sistema propiedades físicas y químicas no convencionales.

Aquí, un equipo de investigadores europeos aplicó un enfoque supramolecular para formar redes moleculares orgánicas autoensambladas con una geometría controlada y precisión atómica sobre grafeno. inducir potenciales periódicos 1D en las heteroestructuras híbridas orgánico-inorgánicas resultantes. Para ese propósito, Los bloques de construcción molecular se diseñaron y sintetizaron cuidadosamente. Aquellos están equipados con (i) una larga cola alifática, dirigiendo el autoensamblaje y la periodicidad del potencial, y (ii) un grupo de cabeza de diazirina fotorreactivo, cuyo momento dipolar modula el potencial de superficie de la lámina de grafeno subyacente. Tras la irradiación con luz ultravioleta (UV) antes de la deposición sobre grafeno, el resto de diazirina se escinde y se forma una especie de carbeno reactivo. Este último es propenso a reaccionar con moléculas de solvente, dando lugar a una mezcla de nuevos compuestos con diferentes funcionalidades.

Se utilizaron imágenes de microscopio de túnel de barrido (STM) para caracterizar la disposición a nanoescala de las redes supramoleculares formadas en superficies de grafito y grafeno. que determina la periodicidad y geometría de los potenciales inducidos. Luego se realizó la caracterización eléctrica en dispositivos de efecto de campo basados ​​en grafeno para evaluar el efecto de las diferentes capas orgánicas autoensambladas sobre las características eléctricas del material 2-D. Las simulaciones computacionales permitieron desentrañar las interacciones del ensamblaje molecular con el grafeno; un análisis teórico confirmó además que el origen de los efectos del dopaje puede atribuirse por completo a la orientación de los dipolos eléctricos en los grupos de cabeza. Finalmente, se podría generar un potencial periódico con la misma geometría pero una intensidad diferente a partir de una red supramolecular preparada después de la irradiación UV del bloque de construcción molecular en un disolvente diferente.

De este modo, los investigadores lograron demostrar que las celosías supramoleculares orgánicas son adecuadas para crear potenciales periódicos 1D controlables en la superficie del grafeno. Curiosamente, la periodicidad, La amplitud y el signo de los potenciales inducidos pueden preprogramarse y ajustarse mediante un cuidadoso diseño molecular. Este enfoque supramolecular ascendente puede extenderse y aplicarse a otros materiales inorgánicos 2-D como los dicalcogenuros de metales de transición, allanando el camino hacia heteroestructuras de van der Waals multicapa más complejas. Estos hallazgos son de gran importancia para la realización de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos con propiedades estructurales y electrónicas controlables que presentan características eléctricas, magnético, funcionalidades piezoeléctricas y ópticas.