解决相关石墨烯衍生物的稳定性问题

文章来源：Carbontech

具有锯齿状边缘的碳纳米结构具有独特的性能，如局部电子态和自旋，具有令人兴奋的潜在应用。然而，这类纳米结构通常是在真空下合成的，因为它们的锯齿形边缘在环境条件下是不稳定的：这是一个必须克服的障碍，以实现它们在实际用途中的可扩展集成。

在过去的几十年里，一种新的合成方法已经被开发出来，通常被称为“表面合成”，它与标准的湿化学方法大相径庭。与后者中溶剂的三维空间不同，在这种新方法中反应物的环境是定义明确的二维固体表面，通常处于真空条件下。 这些差异使得能够成功合成通过常规方法无法获得的多种分子结构。

在引起人们特别关注的结构中，我们发现了具有锯齿形边缘的碳纳米结构，它赋予了材料令人兴奋的电子甚至磁性，这些特性对于包括量子技术在内的多种应用具有潜在的兴趣。

然而，这些材料的一个重要缺点是，它们往往缺乏足够的化学稳定性来承受空气暴露。这就是为什么像真空这样的环境被用来使合成成为可能。了最终在实际设备中实现这些结构，需要对这些结构进行操作并将其转移出真空，这会降低材料的质量，从而危及它们的潜在应用。

这就提出了为器件制造过程构思新策略的需要。在传统化学中，保护/去保护策略通常用于克服稳定性问题。然而，这种保护化学策略是否也能应用于“表面合成”还有待检验。

在这项工作中，来自圣塞巴斯蒂安的DIPC和CFM (CSIC-UPV/EHU)、ciqu - de Santiago de Compostela大学、捷克科学院(布拉格)、Palacký大学(Olomouc)、Ikerbasque(巴斯克国家)和El Entrego的CINN (csic - uniovic - pa)的一个国际团队使用具有高密度锯齿形边缘的窄条石墨烯纳米带进行了此类测试。这项工作现已发表在 Nature Chemistry 上，提出了两种相关但互补的方法，将保护/去保护策略应用于纳米石墨烯的反应性锯齿形边缘部分。

特别是，他们演示了使用氢原子作为保护纳米结构石墨烯不受大气氧化影响的手段。然后，纳米结构很容易脱氢，并通过退火转换回它们的原始形式。另一种方法进一步允许他们将具有保护酮侧基的空气稳定、化学修饰形式的石墨烯纳米结构转化为感兴趣的分子。

这些结果的影响是深远的。预期所证明的保护/去保护策略同样适用于具有与本文探究的不同的锯齿形边缘段的石墨烯纳米结构。因此，它为将碳纳米结构集成到设备中的方法的概念打开了新的大门，并可能因此使利用其锯齿状边缘的独特特性向可扩展应用更进一步，这是一个跨越物理、化学、材料科学和工程的重大科学挑战。

反应石墨烯纳米带(左)和受保护石墨烯纳米带(右)的扫描探针显微镜图像。来源:DIPC | CFM | FZU | CiQUS | CATRIN

总结：

本文展示了两种化学保护/去保护策略，在不稳定的、空气敏感的手性石墨烯纳米带上得到证明。氢化后，手性石墨烯纳米带可以暴露于空气中，之后通过退火，它们可以很容易地转换回原来的结构。研究人员还通过合成一种用酮侧基官能化的手性石墨烯纳米带形式从另一个角度解决这个问题。这种氧化形式是化学稳定的，可以通过氢化和退火转化为原始烃形式。在这两种情况下，去保护的手性石墨烯纳米带重新获得了与原始纳米带相似的电子性能。我们相信这两种方法可以扩展到其他石墨烯纳米带和碳基纳米结构。

文献信息：

Pavel Jelinek, Circumventing the stability problems of graphene nanoribbon zigzag edges, Nature Chemistry (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01042-8.

www.nature.com/articles/s41557-022-01042-8

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