Nanografeno para dispositivos de visualización y alimentación

Investigadores han descubierto una forma sencilla de obtener un control preciso sobre la fabricación de nanografeno. El nanografeno es un material que podría mejorar radicalmente las células solares, las células de combustible, los LED y más.

La sonda de cobre puede manipular materia a escala atómica. Crédito: 2020 Shiotari et al.

Normalmente, la síntesis de este material ha sido imprecisa y difícil de controlar. Por primera vez, investigadores han descubierto una forma sencilla de obtener un control preciso sobre la fabricación de nanografeno. Al hacerlo, han arrojado luz sobre los procesos químicos previamente poco claros involucrados en la producción de nanografeno.

El grafeno, láminas de moléculas de carbono de un átomo de espesor, podría revolucionar la tecnología del futuro. Las unidades de grafeno se conocen como nanografeno; estos se adaptan a funciones específicas y, como tales, su proceso de fabricación es más complicado que el del grafeno genérico. El nanografeno se obtiene mediante la eliminación selectiva de átomos de hidrógeno de las moléculas orgánicas de carbono e hidrógeno, un proceso llamado deshidrogenación.

"La deshidrogenación tiene lugar en una superficie metálica como la plata, el oro o el cobre, que actúa como catalizador, un material que permite o acelera una reacción", dijo el profesor asistente Akitoshi Shiotari del Departamento de Ciencia de Materiales Avanzados. "Sin embargo, esta superficie es grande en relación con las moléculas orgánicas objetivo. Esto contribuye a la dificultad de crear formaciones específicas de nanografeno. Necesitábamos una mejor comprensión del proceso catalítico y una forma más precisa de controlarlo".

Una molécula orgánica con un átomo de hidrógeno no deseado (izquierda) y la misma molécula con el átomo eliminado (derecha). Crédito: 2020 Shiotari et al.

Shiotari y su equipo, a través de la exploración de varias formas de realizar la síntesis de nanografeno, idearon un método que ofrece el control preciso necesario y también es muy eficiente. Utilizaron un tipo de microscopio especializado llamado microscopio de fuerza atómica (AFM), que mide detalles de moléculas con una punta nanoscópica en forma de aguja. Esta sonda se puede utilizar no solo para detectar determinadas características de átomos individuales, sino también para manipularlos.

"Descubrimos que la punta de metal del AFM podría romper los enlaces carbono-hidrógeno en moléculas orgánicas ", dijo Shiotari. "Podría hacerlo con mucha precisión dado que su punta es tan diminuta, y podría romper enlaces sin necesidad de energía térmica. Esto significa que ahora podemos fabricar componentes de nanografeno de una manera más controlada que nunca".

Para verificar lo que estaban viendo, el equipo repitió el proceso con una variedad de compuestos orgánicos, en particular dos moléculas con estructuras muy diferentes llamadas benzonoides y no benzonoides. Esto demuestra que la sonda AFM en cuestión es capaz de extraer átomos de hidrógeno de diferentes tipos de materiales. Este detalle es importante si este método se va a convertir en un medio de producción comercial.

"Imagino que esta técnica podría ser la mejor forma de crear nanomoléculas funcionales de abajo hacia arriba", dijo Shiotari. "Podemos usar un AFM para aplicar otros estímulos a moléculas objetivo , como inyectar electrones, campos electrónicos o fuerzas repulsivas. Es emocionante poder ver, controlar y manipular estructuras en una escala tan increíblemente minúscula".

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Más información: Akitoshi Shiotari et al, Manipulable Metal Catalyst for Nanographene Synthesis, Nano Letters (2020). DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03510

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Nota original: University of Tokyo