کاربرد گسترده‌ نانوگرافن‌ها در صنایع آینده

نانوگرافن‌ها به‌خاطر خواص الکتریکی منحصر به فرد، به‌عنوان گزینه‌ی قدرتمندی برای نسل بعدی مواد کربنی، توجه بسیاری از پژوهشگرها را به خود جلب کرده‌اند. دانشمندان دانشگاه ناگویا به توسعه‌ی یک روش سریع برای ساخت نانوگرافن‌ها در یک مدل کنترل‌شده پرداخته‌اند. این روش ساده و قدرتمند برای ترکیب نانوگرافن‌ها می‌تواند به تولید طیفی از مواد اپتوالکترونیکی جدید از جمله صفحات نمایشی الکترولومینسانس ارگانیک و سلول‌های خورشیدی کمک کند.

گروهی از شیمی‌دان‌های پروژه‌ی نانوکربن مولکولی ایتامی JST-ERATO و مؤسسه‌ی بیومولکول‌های تبدیلی (ItbM) در دانشگاه ناگویا به توسعه‌ی یک روش ساده و قدرتمند برای ترکیب نانوگرافن‌ها پرداخته‌اند. انتظار می‌رود این روش، که اخیرا در مجله‌ی Science مورد بررسی قرار گرفته است، به روشی پیشتاز در فرآیند ترکیب ارگانیک، علوم مواد و شیمی کاتالیزوری تبدیل شود.

استراتژی‌های ترکیبی نانوگرافن‌ها

نانوگرافن‌ها، رشته‌های عریض نانومتری و یک‌بعدی ساخته‌شده از گرافن هستند که مولکول آن‌ها از واحدهای بنزن تشکیل شده‌اند. این مواد به‌خاطر ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، به‌عنوان یک گزینه‌ی قدرتمند برای مواد نسل بعد از جمله مواد اپتوالکترونیک در نظر گرفته شده‌اند. ویژگی‌های نانوگرافن‌ها به عرض، طول و ساختار لبه‌ای آن‌ها وابسته هستند. بنابراین روش‌های بهینه برای دسترسی به نانوگرافن‌های کنترل‌شده از نظر ساختاری به‌شدت مطلوب هستند.

ترکیب ایده‌آل نانوگرافن‌ها می‌تواند ترکیب شبه LEGOهایی از واحدهای بنزن باشد، این ترکیب تعداد  و شکل دقیق مولکول‌ها را تعریف می‌کند. اما این روش در حال حاضر قابل اجرا نیست. به‌همین دلیل تیم پژوهش به توسعه‌ی یک روش دیگر پرداخته که در عین سادگی، ساختار نانوگرافنی را در سه مرحله‌ی کلیدی کنترل می‌کند.

یک روش ترکیبی جدید در جهت تولید نانوگرافن از فنیلین

در ابتدا، مشتق‌های ساده‌ی بنزن از طریق واکنش جفت شدن متقاطع به‌صورت خطی جمع‌آوری شدند. سپس زنجیره‌های بنزن با یک کاتالیزور پالادیوم به یکدیگر وصل شدند، محصول به‌دست‌آمده یک مولکول با به حلقه‌ی بنزنی بود که به‌صورت مثلثی و مسطح به یکدیگر وصل شده‌ بودند. این فرآیند تا  بالای زنجیره تکرار می‌شود و حلقه‌ها را به یکدیگر وصل می‌کند. نوآوری این تیم، توسعه‌ی یک روش جدید برای مرحله‌ی میانی است، در این مرحله‌ یک واحد مثلثی سه‌حلقه‌ای ایجاد می‌شود، این واحد هسته‌ی واکنش‌های بعدی تولید مولکول نانوگرافن است. روش کلاسیک برای اتصال واحدهای بنزن از آریل هالید به‌عنوان واکنشگر استفاده می‌کند.

آریل هالیدها ترکیب‌های آروماتیکی هستند که در آن‌ها یک یا چند اتم هیدروژن به یک حلقه‌ی اتمی وصل شده است؛ این حلقه‌ها با عناصر هالوژنی مثل فلوئور (F)، کلر (Cl)، برم (Br) یا ید (I) جایگزین می‌شوند. به این صورت بنزن می‌تواند از طریق فرآیندی به نام دوپارش به یک نقطه‌ی مستقل وصل شود، این فرآیند توسط فریتز اولمن و ژان بیلکی در ۱۹۰۱ کشف شد. با این حال واکنش اولمان، با استفاده از ترکیب فنیلین به‌عنوان ماده‌ی آغازی، هیچ نانوگرافنی را تولید نمی‌کند. در نهایت تیم به این نتیجه رسید که  استفاده از یک کاتالیزگر پالادیوم، اتصال‌هایی را بین واحدهای بنزن در دو نقطه فعال می‌کند و یک ساختار شبه مثلثی از سه حلقه‌ی بنزنی را تولید می‌کند. یک بخش تری فینلین در مرکز هر گروه از حلقه‌های شکل می‌گیرد.

به‌گفته‌ی کی موراکامی، شیمی دان دانشگاه ناگویا و یکی از سرپرست‌های این بررسی: این کشف کاملا تصادفی بود. به‌عقیده‌ی ما این واکنش کلید یک روش جدید برای ترکیب نانوگرافن است.

ترکیبی از یک نانوگرافن در سه مرحله از یک مشتق ساده‌ی بنزن.

تیم پژوهشی در مرحله‌ی بعدی، از فرآیندی به نام واکنش اسکول برای تکرار این فرآیندها استفاده کرد و با موفقیت به ترکیب یک مولکول نانوگرافن پرداخت. واکنش مشابه فرآیند اتصال حلقه‌های بنزنی بود، اما در اینجا تری فینلین نقشه هسته را ایفا می‌کرد.

به‌گفته‌ی یوشیتو کوگا، یکی از دانشجویان فارغ‌التحصیل همکار در این آزمایش‌ها: یکی از دشوارترین بخش‌های این پژوهش، دستیابی به شواهد علمی برای اثبات ساختار مشتق تری فینلین و مولکول‌های نانوگرافن بود. از آنجا که کسی در گروه ما قبلا به کنترل تری‌فینلین‌ها و نانوگرافن‌ها نپرداخته است، من آزمایش را از طریق «آزمون و خطا» اجرا کردم. برای اولین بار شاهد بودم که سیگنال اسپکتومتری (طیف‌نمایی) مولکول مورد نظر ، جرم مولکول را از طریق MALDI (یونیزاسیون/واجذبی لیزری ماتریسی) نشان می‌دهد، این نتیجه بسیار هیجان‌انگیز بود زیرا ثابت می‌کرد در ساخت نانوگرافن به شیوه‌ای کنترل شده موفق شدیم.

این تیم قبلا هم در ترکیب مشتق‌های تری فینلین از جمله مولکول‌های ده حلقه‌ای بنزن، نفتالین (یک زوج ترکیبی از حلقه‌های بنزن)، اتم‌های نیتروژن و اتم‌های سولفور موفق شده بود. از  مشتق‌های تری فنیلین می‌توان در سلول‌های خورشیدی استفاده کرد.

به‌گفته‌ی موراکامی: روش ساخت مولکول‌های کاربردی از واحدهای ساده‌ی بنزن نه تنها بر ترکیبی از نانوگرافن‌ها بلکه بر دیگر مواد نانوکربنی هم قابل پیاده سازی است.

به‌گفته‌ی پروفسور کنیچیرو ایتامی، رئیس پروژه‌ی نانوکربن مولکولی ایتامی JST-ERATO، نانوگرافن‌ها به‌عنوان مواد آینده کاربرد سودمندی خواهد داشت. امیدواریم این کشف، سرعت پژوهش‌های ‌ موجود را بالا برده و منجر به پیشرفت حوزه‌ی علوم نانوگرافن شود.