ננו-רצועות גרפן בתוך ננו-שפופרות פחמן

פיסיקאים מאוניברסיטאות בשבדיה ובפינלנד גילו דרך יעילה לסינתזת ננו-רצועות גרפן ישירות בתוך ננו-שפופרות פחמן חד-דופנות

פיסיקאים מאוניברסיטאות בשבדיה ובפינלנד גילו דרך יעילה לסינתזת ננו-רצועות גרפן ישירות בתוך ננו-שפופרות פחמן חד-דופנות. הממצאים פורסמו לאחרונה בכתב העת המדעי Nano Letters.
החומר גרפן, שכבה חד-אטומית של פחמן נקי, הוא בעל קשת רחבה של תכונות בלתי-רגילות ומרתקות במיוחד. כמוליך חשמל, חומר זה מבצע את פעילותו טוב כנחושת. כמוליך חום, הוא מבצע את פעילותו טוב יותר מכל החומרים המוכרים האחרים. ניתן להשיג שינויים ניכרים בתכונות הגרפן באמצעות הכנתו בצורת רצועות בעלות עובי משתנה, מה שמכונה ננו-רצועות. ננו-רצועות אלו מהוות עתה מוקד מעשי להתעניינות בתחומי הפיסיקה כחומר מבטיח במיוחד בפיתוח רכיבי אלקטרוניקה, תאים סולאריים ומוצרים רבים אחרים. אולם, מעולם לא היה קל להכין את ננו-הרצועות הללו.
צוות משותף של פיסיקאים משבדיה ומפינלנד בראשותו של פרופסור Alexandr Talyzin גילה דרך להשתמש בחללים הפנויים שבתוככי ננו-שפופרות פחמן כריאקטור כימי חד-ממדי להכנת גרפן הסגור ככמוסה. תכונה מרתקת של חלל זה היא שבתוכה מתרחשות תגובות כימיות שונות בהשוואה לתנאים תלת-ממדיים בתווך רגיל.    
"השתמשנו בחומרים קורונן (coronene) ופרילן (perylene), שהינן מולקולות אורגניות ארוכות, כאבני-בנין להכנת ננו-רצועות גרפן צרות ומאורכות בתוככי השפופרות. הרעיון להשתמש במולקולות אלו כאבני-הבניין לסינתזת גרפן התבסס על מחקר קודם שלנו," מציין החוקר הראשי.
במחקר שלנו גילינו כי מולקולות הקורונן מסוגלות להגיב אחת עם השנייה בתנאים מסוימים ליצירת דימרים, טרימרים ומבנים ארוכים יותר בצורה האבקתית שלהן. הממצאים הצביעו על האפשרות כי ניתן להשתמש במולקולות הקורונן להכנת גרפן, אולם היה צורך לייצב אותן על גבי מישור משותף לטובת התרחשות התגובה הנדרשת. החלל הפנימי של ננו-שפופרות פחמן חד-דופנות נראה כמקום אידיאלי לאלץ את המולקולות להסתדר בצורת "קצה-אל-קצה" הכה דרושה לתגובת הפולימריזציה.

במחקר החדש, המדענים הראו כי הדבר אכן אפשרי לביצוע. כאשר החוקרים צפו בדגימות הראשונות באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הם גילו ממצאים מרגשים: כל ננו-השפופרות היו מלאות בתוכן בננו-רצועות גרפן. "הצלחת הניסויים הייתה תלויה במידה רבה גם בבחירת ננו-השפופרות המסוימות. ננו-שפופרות בעלות קוטר מתאים ובאיכות גבוהה סופקו לנו על-ידי העמיתים שלנו מאוניברסיטת Aalto," אומר החוקר הראשי.

בשלה הבא החוקרים מצאו כי צורת ננו-רצועות הגרפן הלכודות בשפופרות ניתנת לשינוי באמצעות השימוש בסוגים שונים של פחמימנים ארומטיים. תכונות ננו-הרצועות שונות מאוד והן תלויות בצורה ובעובי שלהן. לדוגמה, ננו-הרצועות יכולות להיות מתכתיות או מוליכות למחצה כתלות בעובי ובסוג שלהן. מעניין לציין כי גם ננו-השפופרות עצמן יכולות להיות מתכתיות, מוליכות-למחצה או מבודדות בהתאם לקוטר שלהן.

"יכולת זו מובילה לפוטנציאל עצום עבור הפיתוח של מגוון נרחב של יישומים. אנו נהיה מסוגלים להכין בעתיד חומרים היברידיים המשלבים גרפן וננו-שפופרות בכל הקומבינציות האפשריות," מסביר החוקר.

לדוגמה, ננו-רצועות מתכתיות בתוך ננו-שפופרות מבודדות חשמל מהוות חוטים מבודדים זעירים במיוחד. ניתן יהיה להשתמש בהן ישירות בתוככי ננו-שפופרות על מנת לייצר אור, כך שנקבל ננו-נורות. ננו-רצועות מוליכות-למחצה תוכלנה לשמש עבור פיתוח טרנזיסטורים או תאים סולאריים ושילוב של מבנים מתכתי-מתכתי יוכל להוות סוג חדש לחלוטין של ננו-כבל – מוליך חשמל שיוכל לשמש, למשל, בהעברת אותות רדיו.

השיטה החדשה לסינתזת חומרים היברידיים הינה פשוטה, ניתנת להרחבה בקלות, ומאפשרת רמת מילוי של השפופרות בננו-הרצועות של כמעט 100%. הדמיות תיאורטיות הראו גם כי ננו-רצועות הגרפן שומרות על תכונותיהן הייחודיות בתוככי ננו-השפופרות מאחר והן מוגנות מהסביבה החיצונית שלהן.

"החומר החדש נראה מבטיח במיוחד, אולם עדיין אנו חייבים לערוך מחקר מקיף בתחומי הפיסיקה והכימיה הקשורים אליו. הסינתזה של החומר היא רק ההתחלה. כעת אנו מעוניינים ללמוד את תכונותיו החשמליות, המגנטיות והכימיות ולהבין כיצד ניתן להשתמש בחומרים היברידיים ביישומים מעשיים," מסביר החוקר הראשי. 

הידיעה על המחקר