El grafè és l’al·lòtrop de carboni consistent en una monocapa d’àtoms de carboni ordenats en una matriu hexagonal. De fet, l’estructura del grafè és la base d’altres al·lòtrops de carboni, com el grafit, el diamant o el carbó, presents a la natura. També ho és de nanotubs i de ful·lerens. En certa manera, podem dir que el grafè és una molècular aromàtica indefinidament estesa, com si fos l’extrem dels hidrocarburs aromàtics policíclics. El grafè és un semimetall i això li confereix un gran interès. La introducció de porus de mida nanomètrica en el grafè, a més, permet que aquest semimetall esdevingui un semiconductor. Si el grafè sense nanoporus és impermeable, l’addició de porus el converteix teòricament en la membrana-tamís més eficient a nivell molecular. El repte, però, és aconseguir porus de mida nanomètrica que siguin compatibles amb les característiques estructurals que hom exigiria per a la confecció de membranes i sensors específics. Un grup d’investigadors encapçalat per César Moreno, de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, reporta a les pàgines de Science, un mètode d’autoensamblatge de grafè amb nanopors separats per llaços, que pot arribar a una mida de porus d’1 nm.
Esquema d’una làmina de grafè. Cada boleta representa un àtom de carboni. La distància mitjana entre els àtoms és de 0,142 nm.
Un mètode de polimerització de dibrom-difenilbiantracè en una superfície d’or
César Moreno Sierra és investigador en manipulació i espectroscopia atòmiques de l’Institut Català de Nanociència i Tecnologia (ICN2), centre adscrit al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) i a l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona, situat al Campus de l’UAB de Bellaterra. D’aquest mateix centre són Marius Vasile Costache, Markos Paradinas, Mirko Panighel, Gustavo Ceballos, Sergio O. Valenzuela (líder del grup de física i enginyeria de nanodispositius) i Aitor Mugarza (líder del grup de manipulació i espectroscopia atòmiques). Valenzuela i Mugarza són membres també de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA).
Manuel Vilas-Varela és membre del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) i professor del Departamento de Química Orgánica de la Universidade de Santiago de Compostela. També en totes dues institucions trobem Diego Peña, un dels caps del grup de preparació de grans molècules aromàtiques i nanografens.
Bernhard Kretz és membre del Centre de Física Internacional de Donostia, on des del 2014 realitza la tesi sobre propietats electròniques i de transport de nanostructures grafèniques. Aran Garcia-Lekue n’és la supervisora. Garcia-Lekue és membre d’Ikerbasque, l’homòleg basc del nostre ICREA.
Difenilantracè
El punt de partida del mètode és la polimerització de molècules de difenilbiantracè. Per fer-ho possible, empren dibromo-difenilbiantracè que, a través de la reacció d’Ullmann, amb coure com a catalitzador, s’uneixen en molècules d’hidrocarbur aromàtic policíclic com va més grans. Fritz Ullmann i Jean Bielecki (1901) ja havien emprat aquesta reacció amb coure per a la síntesi de sèries bifeníliques, utilitzant com a monòmer en el seu l’o-bromonitrobenzol.
El polímer resultant és ciclodehidrogenat, de manera que l’estructura aromàtica dóna pasa a nanollaços de grafè. L’acoblament creuat d’aquests nanollaços crea un full de grafè amb una mida de porus d’1 nm.
El grafè nanoporós com a semiconductor
L’espectroscopia d’escaneig d’efecte tunel mostra l’estructura electrònica d’aquest grafè nanoporós. Hi coexisteixen bandes semiconductores amb un gap energètic d’1 eV amb estats localitzats associats als porus.
Aquest mètode pot aplicar-se a diversos precursors moleculars, segons els quals en resultaran diferències atòmiques en la mida, densitat, morfologia i composició química dels porus.
L’elevat anisotropisme de l’estructura electrònica del grafè microporós fa d’aquest material un semiconductor altament versàtil. En resulta doncs un material que alhora actua de membrana i d’electrosensor, amb una precisió i especificitat moleculars.
Lligams:
– Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporus graphene. César Moreno, Manuel Vilas-Varela, Bernhard Kretz, Aran Garcia-Lekue, Marius V. Costache, Markos Paradinas, Mirko Panighel, Gustavo Ceballos, Sergio O. Valenzuela, Diego Peña, Aitor Mugarza. Science 360: 199-203 (2018).
– A recipe for nanoporous graphene. Alexander Sinitskii. Science 360: 154-155 (2018).