שיטה חדשה לשימוש בחומר גרפן
מאת דר. משה נחמני
"בעתיד, נוכל ליצור התקן המכיל סוג אחד של פונקציונאליות באזור אחד ופונקציונאליות שונה לחלוטין באזור אחר, באותו החומר. אזורים אלו יפעלו באופן שונה, אולם הם עדיין יהוו חלק מאותו התקן קומפקטי וזול," מסביר החוקר הראשי
העתיד עבור כימיה אורגנית הפך נרחב יותר לאחר שחוקרים מאוניברסיטת רייס גילו דרך המאפשרת בקרה גבוהה בחיבור מולקולות אורגניות לגרפן טהור, שיטה המאפשרת לחומר להיות מתאים למגוון יישומים חדשים.
צוות חוקרים במעבדתו של הכימאי James Tour באוניברסיטת רייס, תוך הסתמכות על ממצאים קודמים במחקר של גרפן, פיתחו שיטה דו-שלבית להפיכת החומר החדשני גרפן (יריעה חד-אטומית) לסופר-סריג עבור השימוש בו בכימיה אורגנית. ממצאי המחקר יוכלו להוביל להתקדמות בפיתוח של חיישנים כימיים מבוססי-גרפן, התקנים תרמו-אלקטרוניים וחומרים חדשניים לחלוטין. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Communications.
גרפן לכשעצמו הוא אינרטי בתגובות אורגניות רבות, ובתור מתכת-למחצה, הוא חסר כל פער פס; עובדה זו מגבילה את התועלתיות שלו בתחום של רכיבי אלקטרוניקה. אולם, המחקר החדש הדגים כיצד גרפן, החומר הקשה ביותר הידוע, לבד מיהלום, יוכל להיות מתאים לסוגים חדשים של כימיה.
עד היום, לא הייתה דרך לחבר מולקולות שונות למישור יריעת הגרפן, אומר החוקר הראשי. "ברוב המקרים הן היו מגיעות לקצוות, ולא למרכז החומר," הוא מוסיף ואומר. "אולם, באמצעות השיטה הדו-שלבית החדשה שלנו, אנו מסוגלים לגרום לגרפן לעבור תגובה של ממנון (הידרוגנציה, החדרת אטומי מימן) על מנת לבנות תבנית מוגדרת ובשלב הבא לחבר מולקולות אחרות למיקומים בהם היו קיימים אטומי המימן.
"השיטה שלנו מועילה עבור ההכנה של, לדוגמה, חיישנים כימיים שבהם אתה מעוניין כי חלבונים, מולקולות דנ"א או סוכרים יזדקרו מחוץ ליריעת הגרפן במיקומים מוגדרים לרוחב ההתקן. התגובתיות במיקומים אלו מהירה במיוחד בהשוואה להתחברותן של מולקולות לקצוות הגרפן. כעת יש לנו אפשרות לקבוע מה תהיה נקודת החיבור שלהן."
השלב הראשון בתהליך כרוך בהכנת תבנית ליתוגרפית המאפשרת חיבור של אטומי מימן למיקומים מוגדרים ביריעת הגרפן; החוקרים הפכו את המשטח החד-ממדי לסופר-סריג דו-ממדי, מוליך למחצה הקרוי גרפאן (graphane). אטומי המימן הוכנסו באמצעות חוט להט מחומם ע"י גישה שפותחה ע"י חוקר עמית באוניברסיטת רייס, Robert Hauge.
החוקרים הדגימו את יכולתם להחדיר לגרפן איי גרפאנים מעובדים בדיוק רב תוך חריטת טקסט מיקרוסקופי ואת הסמל של אוניברסיטת רייס. גרפן, באופן רגיל, משכך מולקולות פלואורסצנטיות, אולם גרפאן אינו פועל בצורה זו, כך שהסמל ממש האיר כאשר הקרינו את יריעת הגרפן. השיטה החדשה הזו מאפשרת לחוקרים לראות תבניות בכושר הפרדה גבוה של כמעט מיקרון אחד, הגבול של ליתוגרפיה רגילה הזמינה למדע היום.
בשלב הבא, החוקרים חשפו את החומר למלחי דיאזוניום אשר "תקפו" כימית את קשרי הפחמן-מימן של האיים שנוצרו. למלחים אלו הייתה האפשרות המרתקת ל"חיסול" אטומי המימן תוך קבלת קשרי פחמן-פחמן המאפשרים להם לחבור לחומרים אורגניים אחרים. "מה שקיבלנו במחקר זה הוא יכולת המעבר מסופר-הסריג של גרפן-גרפאן לחומר היברידי המהווה סופר-סריג מורכב הרבה יותר," מסביר אחד מהחוקרים. "אנו מעוניינים לגרום לשינויים פונקציונאליים באמצעותם ניתן לשלוט על מיקומם וסוגי הקשרים הכימיים, הקבוצות הפונקציונאליות והריכוזים של החומרים השונים.
"בעתיד, נוכל ליצור התקן המכיל סוג אחד של פונקציונאליות באזור אחד ופונקציונאליות שונה לחלוטין באזור אחר, באותו החומר. אזורים אלו יפעלו באופן שונה, אולם הם עדיין יהוו חלק מאותו התקן קומפקטי וזול," מסביר החוקר הראשי. "בראשית עידן הגרפן, לא היה ניתן להפעיל עליו כימיה אורגנית מרובה. כעת, אנו מסוגלים לעשות אתו כמעט הכול, מבחינת כימיה אורגנית. השיטה שלנו פותחת צוהר לאפשרויות ויישומים רבים."