Obwohl Nanographie in Wasser und organischen Lösungsmitteln unlöslich ist, haben die Forscher der Kumamoto University (KU) und des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) einen Weg gefunden, sie im Wasser zu lösen. Unter Verwendung von “molekularen Behältern”, die wasserunlösliche Moleküle einkapseln, entwickelten die Forscher ein Herstellungsverfahren für eine Nanographie-Aderschicht, die chemisch mit der darunter liegenden Substanz interagiert, indem sie die molekularen Behälter und das Nanogramm einfach in Wasser vermischen. Es wird erwartet, dass die Methode für die Herstellung und Analyse von funktionellen Nanomaterialien der nächsten Generation nützlich sein wird.

Graphen ist eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die in Blattform angeordnet sind. Es ist leichter als Metall mit überlegenen elektrischen Eigenschaften und hat als Material der nächsten Generation für die Elektronik Aufmerksamkeit erregt. Strukturdefiniertes Nano-Graphen, d.h. Nanographen, hat andere physikalische Eigenschaften als Graphen. Obwohl Nanographie ein attraktives Material für organische Halbleiter und molekulare Vorrichtungen ist, ist seine Molekülgruppe in vielen Lösungsmitteln unlöslich und seine grundlegenden physikalischen Eigenschaften sind nicht ausreichend verstanden.

Mizellen können verwendet werden, um wasserunlösliche Substanzen in Wasser zu lösen. Seife ist ein bekanntes Beispiel für eine Mizelle. Wenn sich Seifenmicellen mit Wasser vermischen, beginnen sich Blasen zu bilden, die innen hydrophob und außen hydrophil sind. Diese Blasen fangen ölbasierten Schmutz auf und erleichtern das Abwaschen mit Wasser. Dr. Michito Yoshizawa von Tokyo Tech nutzte diese Eigenschaft der Mizellen, um amphipathische (Moleküle mit hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften) Mizellenkapseln zu entwickeln. In Anlehnung an die Arbeit von Dr. Yoshizawa entwickelten Forscher am KU eine Mizellenkapsel für unlösliche Gruppen von Nanoverbindungen.

Die KU-Forscher nutzten Mizellenkapseln, die aus spezifischen chemischen Strukturen (Anthracen) bestehen, als molekulare Behälter und nutzten geschickt die Wechselwirkungen der Moleküle, um Nanographenmoleküle effizient in die Kapseln aufzunehmen. Die Mizellenkapseln wirken wie Geschenke vom Weihnachtsmann, die hochhydrophoben Nanomoleküle (das Spielzeug) in der Kapsel (die Schachtel/Papier) werden auf die Oberfläche des Gold(Au)-Substrats unter Wasser (der Weihnachtsbaum) transportiert. Die Mizellenkapseln durchlaufen dann in der sauren wässrigen Lösung eine Änderung des Molekularzustands (Gleichgewicht). Das Nanogramm, das sich in der Mizele befand, wird auf dem Au-Substrat adsorbiert und organisiert, da es ohne seine “schützende Hülle” nicht in Wasser gelöst ist.

Mit einem Electrochemical Scanning Tunneling Microscope (EC-STM), das Materialoberflächen auf atomarer Ebene auflöst, konnten die Forscher erstmals weltweit drei Arten von Nano-Molekülen (Ovalen, Circobiphenyl und Dicoronylen) in molekularer Auflösung beobachten. Die Bilder zeigten, dass die auf dem Au-Substrat adsorbierten Moleküle regelmäßig ausgerichtet wurden und eine hochgeordnete 2-D-Molekularadschicht bildeten.

Diese Methode der molekularen Adlayer-Herstellung verwendet Moleküle mit eingeschränkten Löslichkeitseigenschaften, kann aber auch für andere Arten von Molekülen verwendet werden. Darüber hinaus sollte sie als umweltfreundliche Technologie auf sich aufmerksam machen, da sie nicht auf den Einsatz schädlicher organischer Lösungsmittel angewiesen ist. Das Forschungsteam erwartet, dass es neue Türen in der nanographischen Wissenschaftsforschung öffnet.

“Vor einigen Jahren stand die KU aufgrund der Erdbeben von Kumamoto 2016 vor großen Herausforderungen. Während wir uns von dieser Katastrophe erholten, nahm Tokyo Tech ältere Studenten aus unserem Labor als Sonderprüfer auf. Von diesem Zeitpunkt an begann dieses Verbundforschungsprojekt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein direktes Ergebnis der schnellen Reaktion und der freundlichen Zusammenarbeit von Tokyo Tech in der schwierigen Situation, in der wir uns hier in Kumamoto befinden. Wir schätzen ihre großzügige Unterstützung sehr”, sagte Projektleiter Professor Soichiro Yoshimoto von der Kumamoto University. “Die von uns entwickelte Methode kann auch auf eine Gruppe von Molekülen mit einer größeren chemischen Struktur angewendet werden. Wir erwarten, dass diese Arbeiten zur Entwicklung von molekularen Drähten, neuen Batteriematerialien, Dünnfilm-Kristallwachstum aus präzisen molekularen Designs und zur weiteren Aufklärung grundlegender physikalischer Eigenschaften führen.”

Dieses Forschungsergebnis wurde am 23. Oktober 2018 in der Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.

Mehr Informationen:
Sakura Origuchi et al, A Supramolecular Approach to the Preparation of Nanographene Adlayers Using Water-Soluble Molecular Capsules, Angewandte Chemie International Edition (2018). DOI: 10.1002/anie.201809258