
蘇州碳豐石墨烯科技有限公司

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一個偶然的發(fā)現(xiàn)可以為改進基于石墨的電子設(shè)備鋪平道路。
科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種簡單的方法,可以將分子在一個平面上與一個平面的石墨烯表面結(jié)合起來。有效地控制分子排列,有望在表面化學(xué)和分子工程以及材料科學(xué)方面取得重大進展。
底部的灰色平面表示石墨烯表面。由紅色、白色、黃色和灰色的球組成的粘著的粒子代表表面活性劑(十二烷基硫酸鈉(SDS))分子?;疑姆唇鹱炙罱Y(jié)構(gòu)代表了AFM的探針尖端。
根據(jù)發(fā)表在科學(xué)報告上的一項研究,名古屋大學(xué)的一組科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種簡單而有效的方法,可以在石墨烯上構(gòu)造完美的單向分子組裝結(jié)構(gòu)。這種方法在其他研究中偶然發(fā)現(xiàn),它依賴于一個普通的實驗室工具,原子力顯微鏡(AFM),來控制分子的排列。
石墨烯是由碳元素制成的,它吸引了許多科學(xué)家的廣泛興趣,因為它是下一代電子材料的強大候選,因為它們具有獨特的特性。一種可靠的方法可以使石墨烯表面的分子或分子組件完美地結(jié)合在一起,這可能會引導(dǎo)人們對石墨烯的電學(xué)性質(zhì)進行調(diào)整,從而提高石墨烯電子器件的性能。盡管近年來被廣泛研究,但在理想的方向上,排列整齊的分子納米結(jié)構(gòu)的生長仍然很困難。這是因為石墨烯表面有三層對稱,它們之間的熱動力是相互等價的,因此很難將分子排列在一個方向上。
為了解決這一問題,由宮內(nèi)智博士和JST-ERATO Itami分子納米碳項目和改造生物分子研究所(ITbM)的Kenichiro Itami教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,主要關(guān)注由AFM尖端掃描引起的物理變化。AFM是一種主要用于分析表面的技術(shù),通過在表面上滑動探頭尖端,產(chǎn)生圖像顯示樣品表面的不均勻性。研究小組懷疑,尖端掃描改變了石墨烯表面的熱動力學(xué)條件,并影響了分子排列的方向。
研究小組調(diào)查了AFM尖端掃描如何導(dǎo)致石墨烯表面分子排列的變化。他們使用一種常見的表面活性劑分子十二烷基硫酸鈉(SDS)作為一種模型分子。研究表明,SDS在石墨烯表面形成了帶狀的組裝。
使用一個微型注射器泵,SDS解決方案被緩慢地注入到一個水滴的多層石墨烯中。研究小組比較了SDS分子如何附著在石墨烯上,這是一種叫做吸附(不與吸收混淆)的過程,并且沒有AFM尖端掃描。
在SDS注入后1小時內(nèi)記錄的AFM高度圖像顯示了表面的隨機不均勻性,這表明在石墨烯表面上隨機吸附了SDS分子。經(jīng)過15分鐘的密集掃描,SDS的吸附形態(tài)發(fā)生了巨大的變化,許多帶狀的分子被觀察到。這一現(xiàn)象表明,AFM尖端掃描的強度和方向影響著生成的SDS帶的方向。
“我們真誠地想要澄清這一令人驚訝的現(xiàn)象,”JST-ERATO項目的小組組長YuheiMiyauchi說。
研究小組分析了AFM掃描方向與觀察到的帶狀取向之間的相關(guān)性。他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)帶狀生長軸和掃描方向之間的相對角度更大時,SDS的絲帶就會變得很容易。此外,計算計算表明,在AFM掃描條件下,吸附SDS分子實際上是被移除的。將具有較大角度的SDS分子吸附在AFM尖端掃描方向上,可以很容易地拆卸。因此,將小角度吸附于AFM尖端掃描方向的分子充當(dāng)細胞核,成長為SDS帶。
在他們的理解基礎(chǔ)上,研究小組試圖在石墨烯上構(gòu)建完全一致的SDS分子組件。
“這項研究最困難的部分是如何精確地控制SDS帶的生長和方向,”洪說。“一旦SDS絲帶生長,它們的方向在AFM掃描條件下不會改變。我們必須及時進行快速的AFM掃描,就在那一刻,SDS分子被注入到石墨烯表面的水中。”
在精細調(diào)整的AFM掃描條件下,他們成功地構(gòu)建了單個的一維分子程序集,它們沿著石墨烯晶格的選定對稱軸排列。
“在AFM分析中,AFM尖端掃描對樣品的動力學(xué)力學(xué)效應(yīng)被認為是不利的,”博士后西原博士說,他是一位博士后研究員,他進行了統(tǒng)計分析并分析了這個實驗的機理。“我們對AFM尖端掃描所產(chǎn)生的效果的隱藏作用的發(fā)現(xiàn),也可以為其他相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供洞見。”
“這項研究最好的部分是,我們能夠證明AFM掃描可以誘導(dǎo)分子模式在石墨烯上的“對稱性破壞”效應(yīng),”洪說。“對于二維(2D)材料的各向異性分子模式的增長,這是非常重要的,例如超晶格,在學(xué)術(shù)和工業(yè)研究中都是必不可少的。”
“我們打破表面對稱性的概念可以適用于各種各樣的目的,例如在分子電子學(xué)中產(chǎn)生分子電路,以及在生物科學(xué)中控制細胞趨化性,”Miyauchi說。
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