Faire un super-réseau avec des motifs de graphène hydrogéné est la première étape pour rendre le matériau adapté à la chimie organique. Le processus a été développé dans le laboratoire de l'Université Rice du chimiste James Tour. Crédit :Tour Lab/Rice University
L'avenir s'est éclairci pour la chimie organique lorsque des chercheurs de l'Université Rice ont trouvé un moyen hautement contrôlable d'attacher des molécules organiques au graphène vierge, rendant le matériau miracle adapté à une gamme de nouvelles applications.
Le laboratoire Rice du chimiste James Tour, s'appuyant sur un ensemble de découvertes antérieures dans la manipulation du graphène, a découvert une méthode en deux étapes qui transformait ce qui était une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur en un super-réseau à utiliser en chimie organique. Les travaux pourraient conduire à des avancées dans les capteurs chimiques à base de graphène, dispositifs thermoélectriques et métamatériaux.
L'ouvrage est paru cette semaine dans le journal en ligne Communication Nature .
Le graphène seul est inerte à de nombreuses réactions organiques et, comme semi-métal, n'a pas de bande interdite; cela limite son utilité en électronique. Mais le projet dirigé par Cary Pint, diplômé de Zhengzong Sun et Rice du Tour Lab, maintenant chercheur chez Intel, a démontré que le graphène, le matériau le plus résistant qui soit en raison de la nature robuste des liaisons carbone-carbone, peut être adapté à de nouveaux types de chimie.
Jusqu'à présent, il n'y avait aucun moyen d'attacher des molécules au plan basal d'une feuille de graphène, dit Tour, T.T. et W.F. de Rice Chaire Chao en chimie ainsi que professeur de génie mécanique et science des matériaux et d'informatique. "Ils iraient surtout vers les bords, pas l'intérieur, " dit-il. " Mais avec cette technique en deux étapes, nous pouvons hydrogéner le graphène pour créer un motif particulier, puis attacher des molécules à l'endroit où se trouvaient ces hydrogènes.
Les chercheurs de Rice ont imprimé des hiboux, la mascotte de l'université, en atomes d'hydrogène sur un substrat de graphène, en le transformant en un superréseau de graphane adapté à la chimie organique. Comme preuve, ils ont "éclairé" les hiboux en les enduisant d'un fluorophore et en les observant par microscopie à extinction de fluorescence. Le graphène éteint la fluorescence, mais les molécules brillent brillamment lorsqu'elles sont attachées au super-réseau. Crédit :Zhengzong Sun/Université du riz
"C'est utile à faire, par exemple, capteurs chimiques dans lesquels vous voulez des peptides, Des nucléotides d'ADN ou des saccharides projetés vers le haut à des endroits discrets le long d'un dispositif. La réactivité sur ces sites est très rapide par rapport au placement de molécules juste sur les bords. Maintenant, nous devons choisir où ils vont."
La première étape du processus consistait à créer un motif lithographique pour induire la fixation d'atomes d'hydrogène à des domaines spécifiques de la matrice en nid d'abeille du graphène; cette restructuration en a fait un bidimensionnel, superréseau semi-conducteur appelé graphane. Les atomes d'hydrogène ont été générés par un filament chaud en utilisant une approche développée par Robert Hauge, membre distingué du corps professoral en chimie de Rice et co-auteur de l'article.
Le laboratoire a montré sa capacité à parsemer le graphène d'îlots de graphane finement travaillés lorsqu'il a laissé tomber un texte microscopique et une image de la mascotte classique de la chouette de Rice, environ trois fois la largeur d'un cheveu humain, sur une petite feuille, puis l'enduction par centrifugation avec un fluorophore. Le graphène éteint naturellement les molécules fluorescentes, mais pas le graphane, ainsi, la chouette s'est littéralement allumée lorsqu'elle a été vue avec une nouvelle technique appelée microscopie à extinction de fluorescence (FQM).
FQM a permis aux chercheurs de voir des motifs avec une résolution aussi petite qu'un micron, la limite de la lithographie conventionnelle à leur disposition. Des motifs plus fins sont possibles avec le bon équipement, raisonnaient-ils.
A l'étape suivante, le laboratoire a exposé le matériau à des sels de diazonium qui ont spontanément attaqué les liaisons carbone-hydrogène des îles. Les sels ont eu l'effet intéressant d'éliminer les atomes d'hydrogène, laissant une structure de liaisons carbone-carbone sp3 qui sont plus propices à une fonctionnalisation ultérieure avec d'autres produits organiques.
"Ce que nous faisons avec cet article, c'est passer du super-réseau graphène-graphane à un hybride, un super-réseau plus compliqué, " dit Soleil, qui a récemment obtenu son doctorat à Rice. "Nous voulons apporter des modifications fonctionnelles aux matériaux où nous pouvons contrôler la position, les types d'obligations, les groupes fonctionnels et les concentrations.
"À l'avenir - et cela pourrait prendre des années - vous devriez pouvoir créer un appareil avec un type de croissance fonctionnelle dans un domaine et une autre croissance fonctionnelle dans un autre domaine. Ils fonctionneront différemment mais feront toujours partie d'un seul et même compact, appareil pas cher, " dit-il. " Au commencement, il y avait très peu de chimie organique que vous puissiez faire avec le graphène. Maintenant, nous pouvons presque tout faire. Cela ouvre beaucoup de possibilités."
