Même si le nanographène est insoluble dans l'eau et les solvants organiques, Des chercheurs de l'Université de Kumamoto (KU) et de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont trouvé un moyen de le dissoudre dans l'eau. En utilisant des "conteneurs moléculaires" qui encapsulent des molécules insolubles dans l'eau, les chercheurs ont développé une procédure de formation pour une couche de nanographene qui interagit chimiquement avec la substance sous-jacente, en mélangeant simplement les conteneurs moléculaires et le nanographene dans de l'eau. La méthode devrait être utile pour la fabrication et l'analyse de nanomatériaux fonctionnels de nouvelle génération.

Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone disposés sous forme de feuille. Il est plus léger que le métal avec des caractéristiques électriques supérieures, et a attiré l'attention en tant que matériau de nouvelle génération pour l'électronique. Graphène de taille nanométrique structurellement défini, c'est-à-dire le nanographene, a des propriétés physiques différentes du graphène. Bien que le nanographène soit un matériau attrayant pour les semi-conducteurs organiques et les dispositifs moléculaires, son groupe moléculaire est insoluble dans de nombreux solvants, et ses propriétés physiques fondamentales ne sont pas suffisamment comprises.

Les micelles peuvent être utilisées pour dissoudre des substances insolubles dans l'eau. Le savon est un exemple familier de micelle. Lorsque les micelles de savon se mélangent à l'eau, des bulles hydrophobes à l'intérieur et hydrophiles à l'extérieur commencent à se former. Ces bulles retiennent la saleté à base d'huile et facilitent le lavage à l'eau. Le Dr Michito Yoshizawa de Tokyo Tech a utilisé cette propriété des micelles pour développer des capsules de micelles amphipathiques (molécules qui ont à la fois des propriétés hydrophobes et hydrophiles). En développant le travail du Dr Yoshizawa, des chercheurs de la KU ont développé une capsule micellaire pour les groupes de composés nanographènes insolubles.

Les chercheurs de la KU ont utilisé des capsules micellaires composées de structures chimiques spécifiques (anthracène) comme conteneurs moléculaires et ont habilement utilisé des interactions moléculaires pour absorber efficacement les molécules de nanographene dans les capsules. Les capsules micellaires agissent comme des cadeaux du Père Noël, les molécules de nanographene hautement hydrophobes (le jouet) à l'intérieur de la capsule (la boîte/le papier d'emballage) sont transportées à la surface du substrat d'or (Au) sous l'eau (le sapin de Noël). Les capsules micellaires subissent alors un changement d'état moléculaire (équilibre) dans la solution aqueuse acide. Le nanographène qui était à l'intérieur de la micelle est adsorbé et organisé sur le substrat Au, car sans son « emballage protecteur », il n'est pas dissous dans l'eau.

Utilisation d'un microscope à effet tunnel électrochimique (EC-STM), qui résout les surfaces matérielles au niveau atomique, les chercheurs ont réussi à observer trois types de molécules de nanographene (ovalene, circobiphényle, et dicoronylène) en résolution à l'échelle moléculaire pour la première fois au monde. Les images ont montré que les molécules adsorbées sur le substrat d'Au étaient régulièrement alignées et formaient une couche d'adlayer moléculaire 2D hautement ordonnée.

Cette méthode de fabrication d'adlayer moléculaire utilise des molécules avec des limitations de solubilité, mais elle peut également être utilisée pour d'autres types de molécules. De plus, il devrait attirer l'attention en tant que technologie respectueuse de l'environnement car il ne nécessite pas l'utilisation de solvants organiques nocifs. L'équipe de recherche s'attend à ce qu'elle ouvre de nouvelles portes dans la recherche scientifique sur le nanographene.

"Il y a quelques années, KU a fait face à des défis importants en raison des tremblements de terre de Kumamoto en 2016. Alors que nous nous remettions de cette catastrophe, Tokyo Tech a accepté des étudiants de premier cycle de notre laboratoire en tant qu'auditeurs spéciaux. Ce projet de recherche collaborative a commencé à partir de ce point. Les résultats de ce travail sont le résultat direct de la réponse rapide et de la coopération aimable de Tokyo Tech pendant la situation difficile à laquelle nous avons été confrontés ici à Kumamoto. Nous apprécions vraiment leur aide généreuse, " a déclaré le chef de projet, le professeur agrégé Soichiro Yoshimoto de l'Université de Kumamoto. " La méthode que nous avons développée peut également être appliquée à un groupe de molécules avec une structure chimique plus large. Nous nous attendons à voir ces travaux conduire au développement de fils moléculaires, nouveaux matériaux de batterie, croissance cristalline en couche mince à partir de conceptions moléculaires précises, et l'élucidation plus poussée des propriétés physiques fondamentales."

Ce résultat de recherche a été publié dans le Angewandte Chemie Édition Internationale le 23 ^rd d'octobre 2018.