Azupyren jako narzędzie do kontroli struktury
Podczas gdy dotychczasowe techniki modyfikowania grafenu koncentrowały się na wprowadzaniu zmian w gotowym materiale, nowa metoda działa znacznie wcześniej. Wykorzystuje się w niej azupyren – molekułę będącą naturalnym odpowiednikiem defektu Stone’a-Walesa. Ten specyficzny typ niedoskonałości przekształca cztery standardowe sześcioczłonowe pierścienie węglowe w układ dwóch pięcioczłonowych i dwóch siedmioczłonowych. Dzięki tej charakterystyce, proces chemicznego osadzania z fazy gazowej na podłożach miedzianych z prekursorem azupyrenu prowadzi do powstania warstw o wysokim stężeniu miejsc defektów 5-/7-członowych. To rozwiązanie problemu niejednorodności, który dotykał wcześniejsze metody modyfikacji grafenu.
Kluczowym elementem całego procesu okazała się kontrola temperatury. Gdy wzrost następuje w niższych temperaturach, między 700 a 850 kelwinów, tworzą się sieci dendrytyczne z imponująco wysoką koncentracją defektów. Ponad połowa pierścieni ma strukturę 5- lub 7-członową. Podniesienie temperatury do zakresu 850-950 kelwinów skutkuje powstaniem zamkniętych filmów z mniejszą, ale wciąż znaczącą liczbą defektów sięgającą około 20%. Ta możliwość precyzyjnego dostrajania właściwości materiału poprzez zwykłą zmianę temperatury wydaje się niezwykle obiecująca, choć na razie trudno przewidzieć, jak sprawdzi się w przemysłowych warunkach.
Bezprecedensowa jednorodność potwierdzona pomiarami
Co naprawdę wyróżnia nową metodę, to osiągnięty poziom homogeniczności wprowadzanych defektów. Szczegółowe analizy ujawniły, że w filmach dendrytycznych rozkład pierścieni przedstawia się następująco: 46% pierścieni 6-członowych, 32% pierścieni 5-członowych, 21% pierścieni 7-członowych i zaledwie 1% innych typów defektów. W przypadku filmów uzyskanych w wyższych temperaturach proporcje wynoszą odpowiednio: 84%, 9% i 7%. Taka powtarzalność i kontrola nad rozmieszczeniem niedoskonałości rzeczywiście robi wrażenie. Badania przeprowadzone za pomocą spektroskopii NIXSW ujawniły ciekawy efekt: defekty Stone’a-Walesa znacząco wzmacniają oddziaływanie grafenu z metalicznym podłożem. Im wyższe stężenie niedoskonałości, tym niższa średnia wysokość adsorpcji filmu, co przekłada się na silniejsze wiązanie z powierzchnią miedzi.
Czytaj też: Był już polski węgiel i grafen. Teraz czas na wojskowe perowskity
Dodatkowe pomiary spektroskopii Ramana pozwoliły określić, iż średnia odległość między defektami w filmach defektywnych wynosi zaledwie 1,3 nanometra. To niezwykle gęsta sieć kontrolowanych niedoskonałości, która może otwierać nowe możliwości aplikacyjne. Nowatorska metoda oferuje kilka istotnych zalet w porównaniu z istniejącymi technikami. Uzyskane filmy monowarstwowe można przenosić na inne podłoża bez ryzyka zanieczyszczenia heteroatomami, a cały proces przebiega w stosunkowo łagodnych warunkach temperaturowych. Możliwe obszary wykorzystania takiego zmodyfikowanego grafenu obejmują nanoelektronikę, gdzie defekty mogą modyfikować właściwości elektroniczne i magnetyczne materiału. W sensorach kontrolowane niedoskonałości prawdopodobnie poprawią specyficzność wiązania z wykrywanymi substancjami. Kataliza to kolejny obszar, w którym defekty mogą tworzyć aktywne centra katalityczne. Projektowanie defektów w warstwach grafenu może stać się tak proste, jak syntezowanie prekursorów molekularnych z określonymi grupami funkcyjnymi. To otwiera teoretyczną możliwość tworzenia materiałów “na zamówienie” z precyzyjnie zaprogramowanymi właściwościami.
Nowe spojrzenie na niedoskonałości
Opisywana metoda może zmienić sposób postrzegania defektów w materiałach. Zamiast traktować je jako niepożądane wady, pokazuje, jak można je wykorzystać jako narzędzie do tworzenia materiałów o unikatowych właściwościach. To krok w kierunku precyzyjnej inżynierii materiałowej na poziomie atomowym, choć droga do komercjalizacji zapewne będzie długa. Trzeba przyznać, że pomysł programowania defektów w materiale już na etapie jego powstawania jest elegancki i innowacyjny. Czy rzeczywiście zrewolucjonizuje on przemysł? Czas pokaże, jednak na pewno już teraz poszerza horyzonty możliwości inżynierii materiałowej.