Resolviendo problemas de estabilidad de nanoestructuras derivadas de grafeno
- Un equipo internacional formado por químicos, físicos y científicos de materiales logra implementar estrategias de protección/desprotección para la síntesis sobre superficie de nanoestructuras de grafeno.
- El trabajo se acaba de publicar en la revista Nature Chemistry.
Durante las últimas décadas, se ha desarrollado una nueva aproximación para la obtención de materiales, denominado “síntesis sobre superficie“, que se diferencia sustancialmente de los procesos de química en disolución estándar. En lugar del espacio tridimensional de los disolventes, en este nuevo enfoque el entorno de los reactivos son superficies sólidas bidimensionales bien definidas que normalmente se mantienen en condiciones de vacío.
Estas diferencias han permitido la síntesis de una gran variedad de estructuras moleculares que no podrían obtenerse por medios convencionales. Entre las estructuras que están suscitando mayor interés, se encuentran las nanoestructuras de carbono con bordes en zigzag, que dotan a los materiales de excitantes propiedades electrónicas e incluso magnéticas de potencial utilidad para una gran variedad de aplicaciones, entre las que se incluyen las tecnologías cuánticas.
Sin embargo, un importante inconveniente de estos materiales es que a menudo carecen de suficiente estabilidad química para soportar la exposición al aire. Es por ello que se utilizan entornos como el vacío para hacer posible su síntesis. Desafortunadamente, para su implementación final en dispositivos reales, estas estructuras deben manipularse y transferirse fuera del vacío, lo que degradaría los materiales y, por lo tanto, pondría en peligro su posible utilización. Como consecuencia surge la necesidad de concebir nuevas estrategias para los procesos de fabricación de dispositivos.
Imagen de microscopio de barrido de una nanocinta de grafeno reactiva (izquierda) y protegida del ataque de la atmósfera (derecha).
Estrategias de protección/desprotección de nanoestructuras
En la química convencional en disolución, las estrategias de protección/desprotección se aplican comúnmente para superar los problemas de estabilidad. Sin embargo, quedaba por probar si tales estrategias químicas de protección podrían también aplicarse en la “síntesis sobre superficie”.
En este trabajo publicado en Nature Chemistry, un equipo internacional de DIPC y CFM (CSIC-UPV/EHU) en San Sebastián, CiQUS – Universidade de Santiago de Compostela, Academia Checa de Ciencias (Praga), Universidad Palacký (Olomouc), Ikerbasque (País Vasco) y CINN (CSIC-UNIOVI-PA) de El Entrego, realizó dichas pruebas con nanocintas de grafeno provistas de una gran densidad de bordes en zigzag.
El trabajo presenta dos métodos relacionados pero complementarios para aplicar la estrategia de protección/desprotección a los segmentos de borde en zigzag reactivos de nanografenos.
En concreto, han demostrado que es posible emplear hidrógeno atómico para proteger el grafeno nanoestructurado de los efectos oxidantes de la atmósfera y, posteriormente, convertir fácilmente estas nanoestructuras a su forma original mediante una deshidrogenación a través de un tratamiento térmico. Un enfoque alternativo les permitió convertir una forma químicamente modificada y estable al aire de las nanoestructuras de grafeno, con grupos laterales cetona, en las moléculas de interés.
Un gran avance hacia la integración de nanoestructuras de carbono en dispositivos
Las implicaciones de estos resultados son de largo alcance. Se espera que la estrategia de protección/desprotección demostrada sea aplicable de manera similar a otras nanoestructuras de grafeno diferentes a las utilizadas en este trabajo. De este modo, abre nuevas puertas para la concepción de metodologías que permitan integrar nanoestructuras de carbono en dispositivos y, por lo tanto, puede llevar la explotación de las características únicas de sus bordes en zigzag un paso más cerca de aplicaciones escalables, un gran desafío científico que abarca la física, la química, la ciencia de los materiales y la ingeniería.
Publicación original:
Circumventing the stability problems of graphene nanoribbon zigzag edges
James Lawrence, Alejandro Berdonces-Layunta, Shayan Edalatmanesh, Jesús Castro-Esteban, Tao Wang, Alejandro Jimenez-Martin, Bruno de la Torre, Rodrigo Castrillo-Bodero, Paula Angulo-Portugal, Mohammed S. G. Mohammed, Adam Matěj, Manuel Vilas-Varela, Frederik Schiller, Martina Corso, Pavel Jelinek, Diego Peña and Dimas G. de Oteyza
Nature Chemistry (2022)