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一個偶然的發現可以為改進基于石墨的電子設備鋪平道路。
科學家們已經開發出一種簡單的方法，可以將分子在一個平面上與一個平面的石墨烯表面結合起來。有效地控制分子排列，有望在表面化學和分子工程以及材料科學方面取得重大進展。
底部的灰色平面表示石墨烯表面。由紅色、白色、黃色和灰色的球組成的粘著的粒子代表表面活性劑（十二烷基硫酸鈉（SDS））分子?；疑姆唇鹱炙罱Y構代表了AFM的探針尖端。
根據發表在科學報告上的一項研究，名古屋大學的一組科學家已經開發出一種簡單而有效的方法，可以在石墨烯上構造完美的單向分子組裝結構。這種方法在其他研究中偶然發現，它依賴于一個普通的實驗室工具，原子力顯微鏡（AFM），來控制分子的排列。
石墨烯是由碳元素制成的，它吸引了許多科學家的廣泛興趣，因為它是下一代電子材料的強大候選，因為它們具有獨特的特性。一種可靠的方法可以使石墨烯表面的分子或分子組件完美地結合在一起，這可能會引導人們對石墨烯的電學性質進行調整，從而提高石墨烯電子器件的性能。盡管近年來被廣泛研究，但在理想的方向上，排列整齊的分子納米結構的生長仍然很困難。這是因為石墨烯表面有三層對稱，它們之間的熱動力是相互等價的，因此很難將分子排列在一個方向上。
為了解決這一問題，由宮內智博士和JST-ERATO Itami分子納米碳項目和改造生物分子研究所（ITbM）的Kenichiro Itami教授領導的研究小組，主要關注由AFM尖端掃描引起的物理變化。AFM是一種主要用于分析表面的技術，通過在表面上滑動探頭尖端，產生圖像顯示樣品表面的不均勻性。研究小組懷疑，尖端掃描改變了石墨烯表面的熱動力學條件，并影響了分子排列的方向。
研究小組調查了AFM尖端掃描如何導致石墨烯表面分子排列的變化。他們使用一種常見的表面活性劑分子十二烷基硫酸鈉（SDS）作為一種模型分子。研究表明，SDS在石墨烯表面形成了帶狀的組裝。
使用一個微型注射器泵，SDS解決方案被緩慢地注入到一個水滴的多層石墨烯中。研究小組比較了SDS分子如何附著在石墨烯上，這是一種叫做吸附（不與吸收混淆）的過程，并且沒有AFM尖端掃描。
在SDS注入后1小時內記錄的AFM高度圖像顯示了表面的隨機不均勻性，這表明在石墨烯表面上隨機吸附了SDS分子。經過15分鐘的密集掃描，SDS的吸附形態發生了巨大的變化，許多帶狀的分子被觀察到。這一現象表明，AFM尖端掃描的強度和方向影響著生成的SDS帶的方向。
“我們真誠地想要澄清這一令人驚訝的現象，”JST-ERATO項目的小組組長YuheiMiyauchi說。
研究小組分析了AFM掃描方向與觀察到的帶狀取向之間的相關性。他們發現，當帶狀生長軸和掃描方向之間的相對角度更大時，SDS的絲帶就會變得很容易。此外，計算計算表明，在AFM掃描條件下，吸附SDS分子實際上是被移除的。將具有較大角度的SDS分子吸附在AFM尖端掃描方向上，可以很容易地拆卸。因此，將小角度吸附于AFM尖端掃描方向的分子充當細胞核，成長為SDS帶。
在他們的理解基礎上，研究小組試圖在石墨烯上構建完全一致的SDS分子組件。
“這項研究最困難的部分是如何精確地控制SDS帶的生長和方向，”洪說。“一旦SDS絲帶生長，它們的方向在AFM掃描條件下不會改變。我們必須及時進行快速的AFM掃描，就在那一刻，SDS分子被注入到石墨烯表面的水中。”
在精細調整的AFM掃描條件下，他們成功地構建了單個的一維分子程序集，它們沿著石墨烯晶格的選定對稱軸排列。
“在AFM分析中，AFM尖端掃描對樣品的動力學力學效應被認為是不利的，”博士后西原博士說，他是一位博士后研究員，他進行了統計分析并分析了這個實驗的機理。“我們對AFM尖端掃描所產生的效果的隱藏作用的發現，也可以為其他相關領域的研究人員提供洞見。”
“這項研究最好的部分是，我們能夠證明AFM掃描可以誘導分子模式在石墨烯上的“對稱性破壞”效應，”洪說。“對于二維（2D）材料的各向異性分子模式的增長，這是非常重要的，例如超晶格，在學術和工業研究中都是必不可少的。”
“我們打破表面對稱性的概念可以適用于各種各樣的目的，例如在分子電子學中產生分子電路，以及在生物科學中控制細胞趨化性，”Miyauchi說。
