Fazer uma superrede com padrões de grafeno hidrogenado é o primeiro passo para tornar o material adequado para química orgânica. O processo foi desenvolvido no laboratório do químico James Tour da Rice University. Crédito:Tour Lab / Rice University
O futuro iluminou-se para a química orgânica quando pesquisadores da Rice University encontraram uma maneira altamente controlável de anexar moléculas orgânicas ao grafeno puro, tornando o material milagroso adequado para uma gama de novas aplicações.
O laboratório de arroz do químico James Tour, com base em um conjunto de descobertas anteriores na manipulação do grafeno, descobriu um método de duas etapas que transformou o que era uma folha de carbono com a espessura de um átomo em uma superrede para uso em química orgânica. O trabalho pode levar a avanços em sensores químicos à base de grafeno, dispositivos termoelétricos e metamateriais.
O trabalho apareceu esta semana no jornal online Nature Communications .
O grafeno sozinho é inerte a muitas reações orgânicas e, como um semimetal, não tem lacuna de banda; isso limita sua utilidade na eletrônica. Mas o projeto liderado pelo Zhengzong Sun do Tour Lab e Cary Pint, formado pela Rice, agora um pesquisador da Intel, demonstrou que o grafeno, o material mais forte que existe por causa da natureza robusta das ligações carbono-carbono, pode ser adequado para novos tipos de química.
Até agora não havia maneira de anexar moléculas ao plano basal de uma folha de grafeno, disse Tour, Rice's T.T. e W.F. Chao Chair em Química, bem como professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais e de ciência da computação. "Eles iriam principalmente para as bordas, não o interior, "disse ele." Mas com esta técnica de duas etapas, podemos hidrogenar o grafeno para formar um padrão específico e, em seguida, anexar as moléculas aos locais onde esses hidrogênios estavam.
Pesquisadores da Rice imprimiram corujas, o mascote da universidade, em átomos de hidrogênio em um substrato de grafeno, transformando-o em uma superrede de graphane adequada para química orgânica. Como prova, eles "iluminaram" as corujas revestindo-as com um fluoróforo e visualizando-as por meio de microscopia de extinção de fluorescência. O grafeno extingue a fluorescência, mas as moléculas brilham intensamente quando ligadas à superrede. Crédito:Zhengzong Sun / Rice University
"Isso é útil para fazer, por exemplo, sensores químicos nos quais você deseja peptídeos, Nucleotídeos ou sacarídeos de DNA projetados para cima em locais discretos ao longo de um dispositivo. A reatividade nesses locais é muito rápida em relação à colocação de moléculas apenas nas bordas. Agora podemos escolher para onde eles irão. "
A primeira etapa do processo envolveu a criação de um padrão litográfico para induzir a ligação de átomos de hidrogênio a domínios específicos da matriz em favo de mel do grafeno; essa reestruturação o tornou bidimensional, superrede semicondutora chamada graphane. Os átomos de hidrogênio foram gerados por um filamento quente usando uma abordagem desenvolvida por Robert Hauge, um distinto membro do corpo docente em química na Rice e co-autor do artigo.
O laboratório mostrou sua capacidade de pontilhar o grafeno com ilhas de graphane finamente trabalhadas quando lançou um texto microscópico e uma imagem do mascote clássico da coruja de Rice, cerca de três vezes a largura de um cabelo humano, em uma folha minúscula e, em seguida, revestida por rotação com um fluoróforo. O grafeno extingue naturalmente as moléculas fluorescentes, mas graphane não, então a coruja literalmente se iluminou quando vista com uma nova técnica chamada microscopia de extinção de fluorescência (FQM).
FQM permitiu aos pesquisadores ver padrões com uma resolução tão pequena quanto um mícron, o limite da litografia convencional disponível para eles. Uma padronização mais fina é possível com o equipamento certo, eles raciocinaram.
Na próxima etapa, o laboratório expôs o material a sais de diazônio que atacaram espontaneamente as ligações carbono-hidrogênio das ilhas. Os sais tiveram o interessante efeito de eliminar os átomos de hidrogênio, deixando uma estrutura de ligações carbono-carbono sp3 que são mais passíveis de funcionalização posterior com outros orgânicos.
"O que fazemos com este artigo é ir da superrede de grafeno-grafano para um híbrido, uma superrede mais complicada, "disse Sun, que recentemente obteve seu doutorado na Rice. "Queremos fazer mudanças funcionais nos materiais onde podemos controlar a posição, os tipos de vínculo, os grupos funcionais e as concentrações.
"No futuro - e pode levar anos - você deve ser capaz de fazer um dispositivo com um tipo de crescimento funcional em uma área e outro crescimento funcional em outra área. Eles funcionarão de forma diferente, mas ainda farão parte de um compacto, dispositivo barato, "disse ele." No começo, havia muito pouca química orgânica que você pudesse fazer com o grafeno. Agora podemos fazer quase tudo isso. Isso abre muitas possibilidades. "
