Estabilización de nanocintas de grafeno con bordes en zigzag sintetizadas en superficie

Investigación UPV/EHU

Un equipo internacional con participación de la UPV/EHU, DIPC y CFM-CSIC logra implementar estrategias de estabilización química en la síntesis sobre superficie de nanocintas de grafeno con bordes en zigzag.

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magen de microscopía de efecto tunel (STM) y de fuerza atómica (AFM) de una nanocinta de grafeno reactiva (a la izquierda) y protegida del ataque de la atmósfera (derecha). Imagen: DIPC et al.

Durante las últimas décadas se ha desarrollado una nueva forma de obtener nuevos materiales, denominada «síntesis sobre superficie», que se diferencia sustancialmente de los procesos de química en disolución habituales. En lugar del espacio tridimensional que proporcionan los disolventes líquidos, 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 interesantes propiedades electrónicas y 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. Pero 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.

Estrategias de estabilización con bordes en zigzag

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». Un equipo internacional ha comprobado ahora experimentalmente su efectividad empleando 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 esta estrategia de protección/desprotección sea aplicable de manera similar a otras nanoestructuras de grafeno diferentes a las utilizadas en este trabajo. Esto abriría nuevas opciones en la concepción de metodologías que permitan integrar nanoestructuras de carbono en dispositivos y, por lo tanto, podría acercarnos a aplicaciones escalables que exploten las características únicas de los bordes en zigzag, un gran desafío científico que abarca la física, la química, la ciencia de los materiales y la ingeniería.

Referencia:

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 (2022) Circumventing the stability problems of graphene nanoribbon zigzag edges Nature Chemistry doi: 10.1038/s41557-022-01042-8

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa

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