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科学家开发生产自组装纳米材料的新方法

发布时间:2018-05-17

一个国际科学家团队开发了一种新的合成方法,可以为各种应用生产晶圆薄层。 /

科学家已经开发出一种有前途的纳米材料,可以适用于广泛的应用。由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)和马克斯普朗克波茨坦 - 格尔姆胶体和界面研究所的科学家领导的国际团队开发了一种用于生产自组织碳纳米层的优雅方法,并为其配备了一系列功能。据信这种官能化碳纳米层适用于各种应用。例如,它们可以用作使表面既防刮又防污的涂层,或作为检测极少量物质的传感器。碳层的导电性也使它们适合用作各种应用中的电子元件。

在未来的技术中,不可思议的小事很可能成为一个巨人。科学家正在研究纳米材料的许多变体,即尺寸在100纳米范围内的物质。前缀纳米来源于希腊语中的矮人,指的是十亿分之一。因此,纳米是十亿分之一米。科学家们非常喜欢这种尺寸的特殊材料:碳纳米层。这些是几纳米厚的蜂窝状碳层 - 甚至更少。这种最薄的可设想的碳纳米层是石墨烯,其由单层碳组成。

对于许多应用而言,能够为这些超薄碳片配备特定的化学分子残余物(称为官能团)是很重要的。 “由于碳纳米片通常只能在极高的温度下才能制备,因此在可能立即破坏这些官能团的条件下才能达到这一目标,这一直只是可能的,”Max Planck Institute of Gerald Breckinski说。戈尔姆附近波茨坦的胶体和界面。 Brezeinski与其研究所的同事一起为瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员提供了支持,以开发在这方面可能引起关注的综合方法。使用这种方法,碳纳米层,包括官能团,可以在比通常用于生产这些材料的那些温度低得多的温度下使用。

深入化学技巧的袋子

为了从碳原子形成平面结构,瑞士研究人员部署了一系列技巧。其中一个主要涉及选择的起始化合物,即中间部分具有六个交替的碳 - 碳三键和单键的分子。这些部分仅由碳原子组成并且具有高度反应性,因为它们也可以在较低温度下发生化学反应。与其他工艺相反,这意味着可以在室温下由这些分子产生薄碳层。

使用特殊的测试设置,科学家们安排了许多这些分子在一个单独的自组织层中完美地平行排列 - 就像刷子上的刷毛一样。然而,刷毛有一个小的差别:平行的分子链每个都有一个轻微的弯曲。由于这种安排,所有分子的富含碳的部分位于相同的水平。当研究人员将紫外光应用于这种装置时,一些三键发生分解,并在相邻分子的碳原子之间形成键。因为几乎所有的鬃毛都因此最终与相邻的刷毛粘合在一起,产生了一致的碳原子层 - 碳纳米层。

为了实现这一切,洛桑的科学家显然不得不深入研究分子前体设计的化学技巧。为了确保其分子的平行排列,他们设计了类似于洗碗液中发现的表面活性剂样分子。虽然这种分子的一端很好地溶解在水中,但另一端完全不溶解。在这两端之间,科学家们放置了反应性三键。

当这些化合物与水接触时,分子只有一端溶解。整个剩余的残留物是如此不溶以至于从表面突出到空气中。研究人员成功地在各个分子鬃毛之间刻意设定一个统一的距离。在三键的水平上,这必须小于0.4纳米,因为在这种情况下相邻的碳原子彼此足够接近以在UV光下彼此形成新的键。

高度专业化的分析证实了合成过程的成功

对于科学家来说,了解沿水 - 空气边界的分子层实际上是如何观察的以及它在反应过程中如何变化很重要。这里有特殊的方法,它们是波茨坦马克斯普朗克胶体和界面研究所Gerald Brezesinski和他的研究小组的组成部分。例如,为了检测相关原子在边界层中的位置以及开始分子的确切排列,研究人员使用了德国汉堡DESY同步加速器的高能X射线束。这些光束在晶圆薄样品层上散射或反射的方式最终为Gerald Brezesinski和他的同事Cristina Stefaniu提供了信息,该信息关于起始分子的确切排列,现在他在波茨坦大学工作。

在红外反射吸收光谱的帮助下,科学家们后来成功地追踪了紫外线照射过程中的实际反应。为此,他们测量了三键特征信号在反应过程中如何连续下降。波茨坦研究人员使用的一种非常特殊的技术在这里很有帮助。只有在这种技术的帮助下才能掩盖来自水分子的干扰影响。 “世界上只有少数几个研究小组可以使这种红外光谱在这样的层面上可见,”Gerald Brezesinski强调说。

波茨坦的马克斯普朗克研究人员使用的特殊技术也证明了对所得产品的特征描述。其中包括布鲁斯特角显微镜,这是大约20年前在哥廷根的马克斯普朗克生物物理化学研究所开发的。在这台显微镜的帮助下,研究人员能够证明该产品是一个非常均匀的光滑层,总共有两纳米厚,因此实际上是一个碳纳米层。

马克斯普朗克波茨坦胶体和界面研究所的Gerald Brezesinski也对这一成功感到满意:“这意味着实际上可以设计表面活性剂样分子,使其能够用于合成碳层水面。我们能够在我们的方法的帮助下证明这一点。“

“功能性碳纳米层”的起点

在合成过程结束时,起始分子的末端仍然从纳米层突出 - 一侧的水溶性末端和另一侧的不溶末端。这一特殊因素对于研究人员来说非常重要,因为它可以在合成前将化学基团连接在一起,从而为后续碳纳米层带来特殊功能。化学附件可以承受轻微的生产过程,并且在生成的碳纳米层中也可以保存。

通过这种方式,例如,可以在一侧固定化学基团,稍后将支持与由玻璃或金属制成的某些表面的连接。团体也可以贴在另一面,这会使图层变脏。碳层本身也会使表面非常耐刮擦。化学纳米传感器也可以由这种晶片薄层构成。为此,化学基团可以被整合到起始分子中,后来确保与待测量的物质或物质组的相互作用。碳纳米层的高电导率然后可以用于测量信号的传输。来自洛桑和波茨坦的研究人员希望,他们创造自组织和功能性碳纳米层的创新过程将为大量有趣的新应用铺平道路。

出版物:Stephen Schrettl等,“在室温下由己烯两亲物单层制备的功能性碳纳米片”,Nature Chistry 6,468-476,2014; DOI:10.1038 / nch.1939

Source:Max Planck Institute

图片:EPFL;胶体和界面的EPFL / MPI

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