Ερευνητές μπορούν να ρυθμίζουν τις δυνάμεις van der Waals που μια επιφάνεια από γραφένιο ασκεί σε μόρια

Οι (ελκτικές) δυνάμεις van der Waals εμφανίζονται όταν δύο αντικείμενα έρθουν αρκετά κοντά για να επάγουν ηλεκτρική πόλωση το ένα στο άλλο. Η αλληλεπίδραση των ηλεκτρικών διπολικών ροπών δυο ατόμων ή μορίων διαμορφώνει ένα ασθενή δεσμό. Η υγροποίηση και η στερεοποίηση σε χαμηλή θερμοκρασία των αδρανών αερίων και μορίων, όπως τα μόρια υδρογόνου, οξυγόνου και αζώτου, είναι αποτέλεσμα διπολικών αλληλεπιδράσεων van der Waals εξ επαγωγής. Ερευνητές έχουν δείξει τώρα έναν τρόπο για να ρυθμίσουν την δύναμη van der Waals που ασκείται από γραφένιο σε ένα μόριο. Η τεχνική, η οποία βασίζεται στον εμπλουτισμό του γραφένιου από την πίσω πλευρά, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της προσρόφησης(*) στο γραφένιο για ένα ευρύ φάσμα μορίων και αυξάνει την προοπτική του ηλεκτρικού ελέγχου της προσρόφησης.

Η ικανότητα ρύθμισης δεν είναι κάτι νέο για το γραφένιο. Η μοναδική, κωνικού σχήματος, ηλεκτρονική δομή του επιτρέπει τον έλεγχο της δυναμικής ενέργειας (ή του επιπέδου Fermi) των ηλεκτρονίων του με την απλή προσθήκη ενός ηλεκτρόδιου-πύλης ή με πρόσμιξη ατόμων. Πρόσφατες εργασίες έχουν χρησιμοποιήσει αυτή τη ρύθμιση του επιπέδου Fermi για να διαχειριστούν τη δύναμη των ιοντικών δεσμών μεταξύ των ατόμων και της επιφάνειας του γραφένιου. Ο Felix Huttmann από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας, στη Γερμανία και οι συνάδελφοί του έχουν επεκτείνει αυτή την επιφάνεια ελέγχου σε ασθενέστερες, αλλά πιο γενικές, αλληλεπιδράσεις van der Waals.

Οι ερευνητές παρήγαγαν ένα φύλλο γραφένιου σε ένα μεταλλικό υπόστρωμα και στη συνέχεια πρόσθεσαν είτε άτομα δότες ηλεκτρονίων (προσμίξεις n-τύπου) ή άτομα δέκτες ηλεκτρονίων (προσμίξεις p-τύπου). Και στις δυο περιπτώσεις, οι προσμίξεις στέκονταν μεταξύ του γραφένιου και μετάλλου, αφήνοντας μια «καθαρή πλάκα» στην επάνω επιφάνεια του γραφένιου. Για να εξερευνήσει τις αλληλεπιδράσεις van der Waals, η ομάδα εξέθεσε το γραφένιο σε μόρια ναφθαλίνης και παρατήρησε προσρόφηση τους στην επιφάνεια σαρώνοντας με μικροσκοπία σήραγγας. Όταν τα δείγματα θερμαίνονται, η θερμοκρασία στην οποία ναφθαλίνη αποβάλλεται ήταν υψηλότερη για n-πρόσμιξη από ότι για p-πρόσμιξη, που σημαίνει ότι η έλξη van der Waals ήταν ισχυρότερη στην πρώτη περίπτωση. Θεωρητικοί υπολογισμοί επιβεβαίωσαν αυτή την εικόνα αποδεικνύοντας ότι n-πρόσμιξη αναγκάζει τα τροχιακά ηλεκτρόνια γύρω από τα άτομα άνθρακα να επεκτείνονται περισσότερο χωρικά, καθιστώντας τα άτομα πιο εύκολα στο να πολώνονται.

(*) Προσρόφηση είναι η διείσδυση ξένων μορίων ή ιόντων στην επιφάνεια στερεού, πορώδους ή κονιοποιημένου σώματος, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό επίστρωσης στην επιφάνεια αυτή.

Πηγή: APS

Περισσότερα στην εργασία: Tuning the van der Waals Interaction of Graphene with Molecules via Doping, Phys. Rev. Lett. 115, 236101 – Published 1 December 2015