Um grupo de cientistas da Universidade de Nagoya desenvolveu um método simples e poderoso para construir estruturas de montagem molecular perfeitamente unidirecional em grafenos, de acordo com um estudo relatado na revista Relatórios Científicos . Descoberto acidentalmente durante outra pesquisa, o método depende de uma ferramenta de laboratório comum, microscopia de força atômica (AFM), para controlar o alinhamento molecular.

Grafeno, que são folhas feitas de carbono, está atraindo amplo interesse de muitos cientistas como um candidato poderoso para a próxima geração de materiais eletrônicos devido às suas propriedades únicas. O desenvolvimento de um método confiável que permite o alinhamento perfeito de moléculas ou conjuntos moleculares em uma superfície de grafeno pode abrir caminho para ajustar as propriedades elétricas do grafeno, e para melhorar o desempenho de dispositivos eletrônicos baseados em grafeno. Embora amplamente estudado nos últimos anos, o crescimento de nanoestruturas moleculares bem alinhadas exclusivamente ao longo de uma direção desejada ainda é difícil. Isso ocorre porque a superfície de grafeno tem simetria tripla, que são termodinamicamente equivalentes entre si, tornando difícil alinhar as moléculas em uma direção orientada.

Para resolver este problema, uma equipe liderada pelo Dr. Yuhei Miyauchi e Professor Kenichiro Itami do Projeto de Nanocarbono Molecular JST-ERATO Itami e do Instituto de Bio-Moléculas Transformativas (ITbM), focado nas mudanças físicas induzidas pela varredura da ponta de AFM. AFM, uma técnica usada principalmente para analisar superfícies, produz imagens que mostram a irregularidade da superfície das amostras, deslizando uma ponta da sonda sobre a área da superfície. A equipe suspeitou que a varredura da ponta modifica as condições termodinâmicas na superfície do grafeno e afeta a direção do alinhamento molecular.

A equipe investigou como a varredura da ponta de AFM leva a mudanças no alinhamento molecular na superfície do grafeno. Eles usaram dodecil sulfato de sódio (SDS), uma molécula de surfactante comum, como uma molécula modelo. Estudos têm mostrado que o SDS forma montagens em forma de fita na superfície do grafeno.

Usando uma bomba de microsseringa, a solução SDS foi lentamente injetada em uma multicamada de grafeno em uma gota de água. A equipe comparou como as moléculas de SDS aderiram ao grafeno, um processo chamado adsorção (não deve ser confundido com absorção), com e sem varredura de ponta AFM.

Uma imagem de altura AFM registrada 1 hora após a injeção de SDS mostrou irregularidades aleatórias na superfície, que indica a adsorção aleatória de moléculas de SDS na superfície de grafeno. Após 15 minutos de intensa varredura AFM, a morfologia de adsorção de SDS mudou drasticamente e muitas moléculas semelhantes a fitas foram observadas. Este fenômeno indicou que a força e a direção da varredura da ponta do AFM afetam a orientação das fitas SDS geradas.

“Descobrimos esse fenômeno acidentalmente quando estávamos realizando outro projeto de pesquisa, "diz o Dr. Liu Hong, um pesquisador de pós-doutorado que conduziu principalmente os experimentos. "Percebemos que olhando as imagens do AFM, a fita SDS cresceu na mesma direção orientada pela varredura da ponta do AFM. "

"Queríamos genuinamente esclarecer este fenômeno surpreendente, "diz Yuhei Miyauchi, um líder de grupo do projeto JST-ERATO.

A equipe analisou a correlação entre a direção de varredura AFM e a orientação observada da fita. Eles descobriram que as fitas SDS cresceram facilmente quando o ângulo relativo entre o eixo de crescimento da fita e a direção da varredura é maior. Além disso, cálculos computacionais sugeriram que as moléculas de SDS adsorvidas são realmente removidas quando são forçadas a girar sob as condições de varredura AFM. As moléculas de SDS adsorvidas com um ângulo relativamente grande na direção da varredura da ponta do AFM são giradas e facilmente removidas. Portanto, as moléculas adsorvidas com pequenos ângulos na direção da varredura da ponta do AFM agem como os núcleos e crescem para se tornar a fita SDS.

Com base em seus entendimentos, a equipe tentou construir conjuntos moleculares SDS perfeitamente alinhados em grafeno.

"A parte mais difícil desta pesquisa foi como controlar o crescimento e a direção das fitas SDS com precisão, "diz Hong." Uma vez que as fitas SDS foram cultivadas, suas orientações não mudaram sob as condições de varredura AFM. Tivemos que realizar varreduras rápidas de AFM logo após aquele momento em que as moléculas de SDS são injetadas na água na superfície do grafeno. "

Sob condições de varredura AFM bem ajustadas, eles conseguiram construir conjuntos moleculares unidimensionais individuais, que estão alinhados ao longo de um eixo de simetria selecionado da rede de grafeno.

"Na análise AFM, os efeitos mecânicos dinâmicos para a amostra por varredura de ponta de AFM foram considerados desfavoráveis, "diz o Dr. Taishi Nishihara, um pesquisador de pós-doutorado que conduziu as análises estatísticas e analisou o mecanismo desse experimento. "Nossas descobertas sobre a utilidade oculta dos efeitos induzidos pela varredura da ponta de AFM também podem fornecer informações a outros pesquisadores em vários campos relacionados."

"A melhor parte desta pesquisa é que fomos capazes de mostrar que a varredura AFM pode induzir o efeito de 'quebra de simetria' do padrão molecular no grafeno, "diz Hong." Pode ser muito importante para o crescimento de padrões moleculares anisotrópicos em materiais bidimensionais (2-D), como super-redes, que agora são essenciais tanto na pesquisa acadêmica quanto na industrial. "

"Nosso conceito de quebrar a simetria da superfície pode ser aplicável para vários fins, como geração de circuitos moleculares em eletrônica molecular e controle de quimiotaxia celular em biociência, "diz Miyauchi.

"Esperamos que nossa descoberta leve a um avanço distinto não apenas na química, mas em campos relacionados que envolvem nanoestruturas moleculares e seu alinhamento, "diz Itami, o diretor do projeto JST-ERATO e diretor do centro de ITbM.