28.09.2022 - Universidade de Santiago de Compostela

Lösung von Stabilitätsproblemen bei relevanten Graphenderivaten

Team aus Chemikern, Physikern und Materialwissenschaftlern entwickelt Schutz-/Deprotektionsstrategien für die On-Surface-Synthese von technologisch herausragenden Graphen-Nanostrukturen

In den letzten Jahrzehnten wurde ein neuer Syntheseansatz entwickelt, der allgemein als "On-Surface-Synthese" bezeichnet wird und sich wesentlich von der herkömmlichen Nasschemie unterscheidet. Anstelle des dreidimensionalen Raums der Lösungsmittel in der letzteren sind die Umgebung der Reaktanten in diesem neuen Ansatz wohldefinierte zweidimensionale feste Oberflächen, die normalerweise unter Vakuumbedingungen gehalten werden. Diese Unterschiede haben die erfolgreiche Synthese einer großen Vielfalt von Molekülstrukturen ermöglicht, die mit herkömmlichen Mitteln nicht zu erreichen waren. Zu den Strukturen, die auf besonderes Interesse stoßen, gehören Kohlenstoff-Nanostrukturen mit zickzackförmigen Kanten, die den Materialien aufregende elektronische und sogar magnetische Eigenschaften verleihen, die für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Quantentechnologien, interessant sein könnten.

Ein wichtiger Nachteil dieser Materialien ist jedoch, dass sie oft nicht ausreichend chemisch stabil sind, um an der Luft zu bestehen. Aus diesem Grund werden Umgebungen wie das Vakuum genutzt, um die Synthese zu ermöglichen. Leider müssen diese Strukturen für ihre letztendliche Umsetzung in tatsächliche Geräte manipuliert und aus dem Vakuum herausgebracht werden, was zu einer Verschlechterung der Materialien führen und somit ihre potenzielle Nutzung gefährden würde. Daher ist es notwendig, neue Strategien für die Herstellung von Bauelementen zu entwickeln. In der konventionellen Chemie werden üblicherweise Schutz-/Deprotektionsstrategien angewandt, um Stabilitätsprobleme zu überwinden. Es war jedoch noch zu prüfen, ob solche Schutzstrategien auch bei der "On-Surface-Synthese" angewendet werden können.

In dieser Arbeit führte ein internationales Team von DIPC und CFM (CSIC-UPV/EHU) in San Sebastian, CIQUS - Universidade de Santiago de Compostela, Tschechische Akademie der Wissenschaften (Prag), Palacký Universität (Olomouc), Ikerbasque (Baskenland) und CINN (CSIC-UNIOVI-PA) in El Entrego solche Tests mit schmalen Streifen von Graphen-Nanobändern durch, die eine hohe Dichte an zickzackförmigen Kanten aufweisen. Die Arbeit, die jetzt in Nature Chemistry veröffentlicht wurde, stellt zwei verwandte, aber komplementäre Methoden vor, um die Schutz-/Deprotektionsstrategie auf die reaktiven Zickzack-Kantensegmente von Nanographen anzuwenden.

Insbesondere haben sie die Verwendung von atomarem Wasserstoff als Mittel zum Schutz von nanostrukturiertem Graphen vor den oxidierenden Auswirkungen der Atmosphäre demonstriert. Anschließend ließen sich die Nanostrukturen leicht dehydrieren und durch Tempern in ihre ursprüngliche Form zurückverwandeln. Ein alternativer Ansatz ermöglichte es ihnen außerdem, eine luftstabile, chemisch modifizierte Form der Graphen-Nanostrukturen mit schützenden Keton-Seitengruppen in die gewünschten Moleküle umzuwandeln.

Die Auswirkungen dieser Ergebnisse sind weitreichend. Es wird erwartet, dass die demonstrierte Schutz-/Deprotektionsstrategie in ähnlicher Weise auf Graphen-Nanostrukturen mit anderen Zickzack-Kantensegmenten als den hier untersuchten anwendbar ist. Sie öffnet somit neue Türen für die Konzeption von Ansätzen zur Integration von Kohlenstoff-Nanostrukturen in Geräte und könnte die Ausnutzung der einzigartigen Eigenschaften ihrer Zickzackkanten einen Schritt näher an skalierbare Anwendungen heranbringen - eine große wissenschaftliche Herausforderung, die sich quer durch Physik, Chemie, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen zieht.

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