Ein Schritt näher zur Verwendung von nanoporösem Graphen in intelligenten Filtern und Sensoren

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Anonim

Im Rahmen einer nationalen Forschungskooperation haben spanische Forscher, darunter der ICN2, einheitlich nanoporöses Graphen zu einer praktikablen Realität gemacht. Dies ist ein wichtiger Meilenstein in der Graphenforschung und bringt uns diesem Potenzial, nicht nur in der Elektronik, sondern auch in der Filtration und Sensorik, ein ganzes Stück näher. Die Arbeit ist in Science veröffentlicht.

Die Forscher haben erfolgreich eine Graphenmembran mit Poren synthetisiert, deren Größe, Form und Dichte im Nanometerbereich mit atomarer Präzision eingestellt werden kann. Technische Poren im Nanobereich in Graphen können seine fundamentalen Eigenschaften verändern. Es wird durchlässig oder siebtartig, und diese Veränderung allein, kombiniert mit der intrinsischen Stärke und Nano-Schlankheit von Graphen, weist darauf hin, dass es zukünftig der widerstandsfähigste, energieeffizienteste und selektivste Filter für extrem kleine Substanzen wie Treibhausgase, Salze und Biomoleküle sein wird.

Eine zweite, vielleicht weniger intuitive Veränderung findet aber auch statt, wenn der Abstand zwischen den Poren auf wenige Atome reduziert wird. Dadurch wird das Graphen von Halbmetall zu Halbleiter umgewandelt, was die Tür für den Einsatz in elektronischen Anwendungen öffnet, wo es verwendet werden könnte, um die sperrigeren, steiferen Siliziumkomponenten zu ersetzen, die heute verwendet werden.

Obwohl dies alles in der Theorie zutrifft, erfordert die Herstellung eines solchen Materials eine Präzision, die die derzeitigen Herstellungsverfahren noch nicht erreicht haben. Das Problem ist der Ansatz, Löcher zu stanzen oder ein Material so zu manipulieren, dass ein einzelnes Atom dick eine unglaublich findige Aufgabe ist. In den hier beschriebenen Arbeiten verfolgt das Team einen "Bottom-up" -Ansatz, der auf den Prinzipien der molekularen Selbstorganisation und der 2-D-Polymerisation basiert und das Graphen von Grund auf mit den bereits eingebauten Nanoporen aufwachsen lässt.

Für diese Herangehensweise benötigte der Forscher ein sehr spezifisches Vorläufermolekül, das als anfängliche Bausteine ​​verwendet werden sollte, die sich wie beabsichtigt verhalten würden, wenn sie verschiedenen Reizen ausgesetzt wären. In dieser Arbeit wurden diese Vorläufer von Synthesechemie-Spezialisten bei CiQUS entworfen und hergestellt, bevor sie zum ICN2 für die "bottom-up" -Montage von nanoporösem Graphen gebracht wurden.

Sie wurden mehreren Erhitzungsschritten bei hohen Temperaturen unterzogen, während sie auf eine Goldoberfläche gelegt wurden, die dazu dient, die Reaktionen zu katalysieren, durch die die Moleküle zuerst polymerisiert werden, um lange, spitzenartige Nanobänder zu bilden, und dann lateral verbunden, um das gewünschte zu erzeugen 2-D-Nanomesh-Struktur mit gleichmäßig verteilten, gleichmäßig großen Poren.

Simuliert am DIPC und experimentell am ICN2 getestet, ist das Ergebnis eine neue Art von Graphen, das ähnliche elektrische Eigenschaften wie Silizium aufweist und auch als hochselektives Molekularsieb fungieren kann. In Kombination werden diese beiden Eigenschaften voraussichtlich die Entwicklung kombinierter Filter- und Sensorvorrichtungen ermöglichen, die nicht nur nach bestimmten Molekülen sortieren, sondern auch deren Durchgang durch die Nanoporen unter Verwendung eines elektrischen Feldes blockieren oder überwachen. Solche elektrischen Messungen würden zusätzliche Informationen darüber liefern, welche Konzentrationen welches Molekül gerade durch die Poren hindurchtreten, was auch auf mögliche Anwendungen bei einer effizienteren DNA-Sequenzierung hinweist.

Tatsächlich sind die Anwendungen einer solchen abstimmbaren, gleichmäßig nanoporösen Graphenmembran vielfältig. Sie reichen von der Überwachung und Verminderung der Verschmutzung bis hin zur Entsalzung von Wasser und sogar Anwendungen in der Biomedizin, wo eine solch dünne, flexible, biokompatible Membran verwendet werden könnte, um versagende Organe wie die Niere, einen der natürlichen Filter des Körpers, zu unterstützen.

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