12.11.2020 - University of Tokyo

Herstellung von Nanographen präzise kontrollieren

Neuer und effizienter Weg zur Schaffung von Nanographen

Nanographen ist ein Material, von dem eine radikale Verbesserung von Solarzellen, Brennstoffzellen, LEDs und mehr erwartet wird. Typischerweise war die Synthese dieses Materials bisher unpräzise und schwer zu kontrollieren. Zum ersten Mal haben Forscher einen einfachen Weg entdeckt, um eine präzise Kontrolle über die Herstellung von Nanographen zu erlangen. Damit haben sie Licht in die bisher unklaren chemischen Prozesse bei der Herstellung von Nanographen gebracht.

Sie haben wahrscheinlich schon von Graphen gehört, einatomdicken Schichten von Kohlenstoffmolekülen, die die Technologie revolutionieren sollen. Einheiten von Graphen werden als Nanographen bezeichnet; diese sind auf bestimmte Funktionen zugeschnitten und als solche ist ihr Herstellungsprozess komplizierter als der von generischem Graphen. Nanographen wird durch selektive Entfernung von Wasserstoffatomen aus organischen Kohlenstoff- und Wasserstoffmolekülen hergestellt, ein Prozess, der als Dehydrierung bezeichnet wird.

"Die Dehydrierung findet auf einer Metalloberfläche wie Silber, Gold oder Kupfer statt, die als Katalysator wirkt, ein Material, das eine Reaktion ermöglicht oder beschleunigt", sagte Assistenzprofessor Akitoshi Shiotari von der Abteilung für fortgeschrittene Materialwissenschaft. "Diese Oberfläche ist jedoch im Verhältnis zu den organischen Zielmolekülen gross. Dies trägt zu der Schwierigkeit bei, spezifische Nanoformationen herzustellen. Wir brauchten ein besseres Verständnis des katalytischen Prozesses und eine präzisere Art und Weise, ihn zu steuern".

Shiotari und sein Team erforschten verschiedene Möglichkeiten zur Durchführung der Nanographensynthese und entwickelten eine Methode, die die erforderliche präzise Steuerung bietet und zudem sehr effizient ist. Sie verwendeten eine spezielle Art von Mikroskop, ein sogenanntes Rasterkraftmikroskop (AFM), das mit einer nanoskopischen nadelartigen Sonde Details von Molekülen misst. Diese Sonde kann nicht nur dazu verwendet werden, bestimmte Eigenschaften einzelner Atome zu erkennen, sondern auch, um sie zu manipulieren.

"Wir haben entdeckt, dass die Metallsonde des AFM Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in organischen Molekülen aufbrechen kann", sagt Shiotari. "Sie konnte dies sehr präzise tun, da ihre Spitze so winzig ist, und sie konnte Bindungen ohne die Notwendigkeit von Wärmeenergie aufbrechen. Das bedeutet, dass wir jetzt Nanographen-Komponenten auf kontrolliertere Weise als je zuvor herstellen können".

Um zu überprüfen, was sie sahen, wiederholte das Team den Prozess mit einer Vielzahl organischer Verbindungen, insbesondere mit zwei Molekülen mit sehr unterschiedlichen Strukturen, die Benzonoide und Nicht-Benzonoide genannt werden. Dies zeigt, dass die fragliche AFM-Sonde in der Lage ist, Wasserstoffatome aus verschiedenen Arten von Materialien zu ziehen. Ein solches Detail ist wichtig, wenn diese Methode in ein kommerzielles Produktionsmittel hochskaliert werden soll.

"Ich stelle mir vor, dass diese Technik der ultimative Weg sein könnte, um funktionelle Nanomoleküle von unten nach oben zu erzeugen", sagte Shiotari. "Wir können ein AFM verwenden, um andere Stimuli auf die Zielmoleküle auszuüben, zum Beispiel durch Injektion von Elektronen, elektronische Felder oder Abstoßungskräfte. Es ist aufregend, in der Lage zu sein, Strukturen in einem so unglaublich winzigen Maßstab zu sehen, zu kontrollieren und zu manipulieren".

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