(Phys.org) - Des chercheurs de la Technische Universität München en Allemagne ont réussi à lier de manière covalente la porphine au bord d'une feuille de graphène sur un substrat Ag (111) en utilisant un couplage covalent assisté par la surface. Cela fournit une preuve de principe selon laquelle les bords de graphène peuvent être fonctionnalisés avec des tétrapyrroles de manière précise. Par ailleurs, leurs travaux montrent que la structure graphène-porphine conserve ses propriétés électroniques et de liaison aux métaux. Leur travail apparaît dans Chimie de la nature .

"Nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la fonctionnalisation contrôlée de nanostructures de graphène et l'inclusion de porphines dans des feuillets de graphène, " commente le professeur Willi Auwärter, co-auteur de cette étude. " Nous sommes enthousiasmés par le potentiel des structures résultantes pour catalyser des réactions chimiques distinctes et anticiper des applications en électronique moléculaire, la détection et l'optoélectronique."

tétrapyrroles, molécules qui contiennent le cycle pyrrole hétérocyclique à cinq chaînons, sont des structures clés pour plusieurs molécules biologiques importantes. Hémoglobine et chlorophylle, par exemple, sont des tétrapyrroles appelés porphyrines. Les porphyrines coordonnent un métal au centre du cycle tétrapyrrole. En outre, les tétrapyrroles sont des molécules stables qui peuvent accueillir une variété de groupes fonctionnels. Leur charpente électronique délocalisée, ainsi que leurs propriétés de liaison aux métaux, en fait une étude intéressante pour l'électronique moléculaire.

Dans cette étude, porphine, le tétrapyrrole le plus simple, était lié de manière covalente à un bord de graphène. Alors que des études antérieures menées par d'autres groupes ont lié les porphyrines aux feuilles de graphène, ils l'ont fait en utilisant une voie chimique plus traditionnelle dans laquelle l'oxyde de graphène réagit avec la porphyrine en solution. Cela conduit à un mélange de produits et à un mauvais contrôle des points d'attache de la porphyrine, ce qui n'est pas propice à la précision nécessaire à l'électronique moléculaire.

Il, et al. ont utilisé le couplage assisté par surface pour lier de manière covalente la porphine au graphène. Ils ont choisi un substrat Ag (111) en raison de leur expérience des réactions de déshydrogénation assistées par la surface avec des porphines et parce que Ag (111) n'interagit que faiblement avec le graphène.

Selon le document de recherche, l'objectif était d'utiliser la surface à la fois comme plate-forme pour la synthèse de graphène et pour médier la réaction de couplage. Les bords du graphène devaient être nets et bien définis et la réaction avec la porphine devait être précise et contrôlée. L'Ag(111) le permet.

Une fois le graphène cultivé sur la surface Ag (111), les porphines à base libre ont été déposées en phase vapeur à température ambiante, puis la surface a été chauffée à plus de 620 K pour induire la réaction de couplage. La microscopie à effet tunnel (STM) et la microscopie à force atomique sans contact (AFM) avec une pointe fonctionnalisée en CO ont montré que les porphines individuelles semblaient être liées de manière covalente aux bords du graphène. Leurs études ont montré que la liaison porphine se produisait dans quatre configurations :1) une liaison C-C entre la porphine et le bord du graphène à la position sur le pyrrole; 2) deux liaisons C-C entre les carbones pyrrole et la feuille de graphène ; 3) trois liaisons C-C, un sur un carbone pyrrole , un lié au carbone entre deux des pyrroles, et l'autre sur une seconde position pyrrole; 4) quatre liaisons C-C avec une structure de liaison pyrrole-carbone-pyrrole similaire à la configuration 3, mais avec un C-C supplémentaire sur l'un des pyrroles.

Après avoir dopé le substrat avec du CO, les images STM ont montré que certaines des porphines avaient un centre saillant qui apparaît comme un point lumineux. Ces protubérances étaient probablement des molécules de CO attachées au centre métallique du tétrapyrrole. Cela signifie qu'un atome d'Ag a été coordonné au centre du tétrapyrrole démontrant que même lorsqu'il est lié de manière covalente au graphène, la porphine a conservé ses propriétés de coordination des métaux.

Des tests supplémentaires ont montré que la conductivité du graphène sur les bords où les porphines étaient fixées ne changeait pas substantiellement. La stabilité thermique de la structure graphène-porphine a été testée par recuit progressif de l'échantillon. Les auteurs notent qu'il y a eu une augmentation de 17% du pourcentage de molécules liées au graphène après recuit de l'échantillon jusqu'à 770 K. Le graphène est recuit à Ag (111) à 900 K. Lorsque le test de stabilité thermique a été effectué à cette température, Il, et al. des prophines encore observées liées aux bords du graphène, en particulier les porphines qui ont trois et quatre carbones liés au bord du graphène.

Cette étude a démontré une manière contrôlée et précise d'attacher des structures de tétrapyrrole aux bords de graphène. Cela a des implications importantes pour la poursuite des recherches en électronique moléculaire, capteurs, et catalyse.

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