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 grafenos. según un estudio publicado en la revista Informes científicos . Descubierto accidentalmente durante otra investigación, el método se basa en una herramienta de laboratorio común, microscopía de fuerza atómica (AFM), para controlar la alineación molecular.

Grafeno que son láminas de carbono, está atrayendo un gran interés de muchos científicos como un poderoso candidato 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 o ensamblajes moleculares en una superficie de grafeno puede 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 una dirección deseada sigue siendo difícil. Esto se debe a que la superficie del grafeno tiene una simetría triple, que son termodinámicamente equivalentes entre sí, dificultando así alinear 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 JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon y el Instituto de Bio-Moléculas Transformativas (ITbM), se centró en los cambios físicos inducidos por el escaneo de la punta AFM. AFM, una técnica utilizada principalmente para analizar superficies, produce imágenes que muestran la irregularidad de la superficie de las muestras deslizando la punta de una sonda sobre el área de la superficie. El equipo sospechaba que el escaneo de puntas 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 dodecilsulfato de sodio (SDS), una molécula de tensioactivo común, como molécula modelo. Los estudios han demostrado que el SDS forma conjuntos en forma de cinta en la superficie del grafeno.

Usando una bomba de microjeringa, la solución de SDS se inyectó lentamente en una capa múltiple de grafeno en una gota de agua. El equipo comparó cómo las moléculas de SDS se adhirieron al grafeno, un proceso llamado adsorción (no confundir con absorción), con y sin escaneo de punta AFM.

Una imagen de altura de AFM grabada 1 hora después de la inyección de SDS mostró irregularidades aleatorias en la superficie, que indica adsorción aleatoria de moléculas de SDS en la superficie del grafeno. Después de 15 minutos de escaneo AFM intenso, la morfología de adsorción de SDS cambió drásticamente y se observaron muchas moléculas en forma de cinta. Este fenómeno indicó que la fuerza y ​​la dirección del escaneo de la punta de AFM afecta la orientación de las cintas de SDS generadas.

"Descubrimos este fenómeno accidentalmente cuando estábamos realizando otro proyecto de investigación, "dice el Dr. Liu Hong, un investigador postdoctoral que realizó principalmente los experimentos. "Notamos que, al mirar las imágenes de AFM, la cinta SDS creció en la misma dirección orientada mediante el escaneo de la punta AFM ".

"Realmente queríamos aclarar este sorprendente fenómeno, "dice Yuhei Miyauchi, líder de 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 exploración es mayor. Además, Los cálculos computacionales sugirieron que las moléculas de SDS adsorbidas en realidad se eliminan cuando se las fuerza a rotar en las condiciones de escaneo AFM. Las moléculas de SDS adsorbidas con un ángulo relativamente grande con la dirección de exploración de la punta del AFM se giran y se eliminan fácilmente. Por lo tanto, las moléculas adsorbidas con pequeños ángulos a la dirección de exploración de la punta del AFM actúan como núcleos y crecen para convertirse en la cinta SDS.

Sobre la base de sus entendimientos, el equipo intentó 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 se cultivaron las cintas SDS, sus orientaciones no cambiaron bajo las condiciones de escaneo AFM. Tuvimos que realizar escaneos rápidos de AFM a tiempo justo después de ese mismo momento en el que las moléculas de SDS se inyectan en el agua en la superficie del grafeno ".

En condiciones de escaneo AFM finamente ajustadas, lograron construir conjuntos moleculares unidimensionales individuales, que están alineados a lo largo de un eje de simetría seleccionado de la red de grafeno.

"En el análisis AFM, los efectos mecánicos dinámicos en 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. "Nuestros hallazgos sobre la utilidad oculta de los efectos inducidos por el escaneo de la punta AFM también pueden proporcionar información a otros investigadores en varios campos relacionados".

"La mejor parte de esta investigación es que pudimos demostrar que el escaneo AFM puede inducir el efecto de 'ruptura de simetría' del patrón molecular en el grafeno, "dice Hong." Puede ser muy importante para el crecimiento de patrones moleculares anisotrópicos en materiales bidimensionales (2-D), como superredes, que ahora son esenciales tanto en la investigación académica como en la industrial ".

"Nuestro concepto de romper la simetría de la superficie puede ser aplicable para varios propósitos, como generar circuitos moleculares en electrónica molecular y controlar la quimiotaxis celular en biociencia, "dice Miyauchi.

"Esperamos que nuestro descubrimiento conduzca a un avance distintivo no solo en la química sino en campos relacionados que involucran nanoestructuras moleculares y su alineación, "dice Itami, el director del proyecto JST-ERATO y director del centro de ITbM.