הכנת פחמן Nanosheets בטמפרטורת החדר

ההליך המוצג מאפשר הכנה כימית רטובה בטמפרטורה נמוכה של ננו-יריעות פחמן באמצעות הרכבה עצמית של מולקולות אמפיפיליות חדשות כקודמים ריאקטיביים ופחמן לאחר מכן בטמפרטורת החדר. בדרך כלל הכנת ננו-מבני פחמן דורשת טמפרטורות או לחצים גבוהים וקשה להשיג שליטה על המורפולוגיה והתפקוד הכימי של הפחמנים המוכנים בתנאים כאלה. הגישה שפותחה דורשת אך ורק קרינת UV בטמפרטורת החדר כדי לספק ננו-יריעות פחמן במידות מוגדרות מולקולרית מתחת לשני ננומטר וממדים רוחביים בסדר גודל של סנטימטרים.

כדי להשיג זאת, הכנו מולקולות שהן אחיות תגובתיות ועשירות בפחמן של אמפיפילים טיפוסיים של חומצות שומן ומיועדות להרכבה עצמית בממשק אוויר-מים לחד-שכבות. החד-שכבתי כולל מערך צפוף של חלקי הקסיין והפחמן של הסרטים מניב חומר שאחרת מתקבל רק בטמפרטורות מעבר ל-800 מעלות צלזיוס. כדי להתחיל, ממיסים 208 מיליגרם של הקסיין המוגן ב -15 מיליליטר דיכלורומתאן בבקבוק שלנק של 100 מיליליטר באטמוספירה אינרטית.

לאחר מכן, הוסף 10 מיליליטר מתנול. מגן על הבקבוק מפני אור בעזרת נייר אלומיניום והוסף נתרן מתאנולאט. לאחר ערבוב התערובת המתקבלת במשך 30 דקות בטמפרטורת החדר, יש לדלל עם 15 מיליליטר דיכלורומתאן ולהעביר למשפך הפרדה.

לאחר מכן יש לשטוף פעם אחת עם תמיסת מימן כלורי מימית מולרית אחת, ופעם אחת עם תמיסת נתרן כלורי מימית רוויה. מעבירים את השלב האורגני לבקבוק ארלנמאייר ומייבשים אותו מעל 30 גרם נתרן גופרתי. לאחר סינון השלב האורגני, יש לרכז את המסנן בוואקום.

טהר את המוצר הגולמי על ידי כרומטוגרפיה של עמודות כדי לבודד את אמפיפיל הקסיין כתמיסה צהובה. אחסן את התוצר של תגובה זו כתמיסה מדוללת בדיכלורומתאן כדי למזער כל פירוק. מורחים כמות של 100 מיקרוליטר מתמיסת המלאי המדולל של אמפיפיל ההקסיין על מים טהורים במיוחד בשוקת לנגמיור הכוללת מערך ספקטרוסקופיה של ספיגת השתקפות אינפרא אדום.

השאירו את שוקת לנגמיור לשיווי משקל למשך 15 דקות ואפשרו לממס להתאדות. דחיסת השכבה ללחץ פני השטח של מילי-ניוטון אחד למטר עם קצב דחיסה קבוע של חמישה אנגסטרומים למולקולה ודקה על ידי הקטנת שטח הפנים של שוקת לנגמיור עם המחסומים. עקוב אחר לחץ פני השטח באמצעות מיקרו-איזון לחץ פני השטח עם צלחת וילהלמי מנייר סינון והגדר את המחסומים של שוקת לנגמיור כך שיישמר לחץ פני השטח של מילי-ניוטון אחד למטר.

הקלט ספקטרום IR עם אור מקוטב p בזווית התרחשות של 40 מעלות. דחוס את השכבה בקצב דחיסה קבוע של חמישה אנגסטרומים למולקולה ודקה על ידי הפחתה נוספת של שטח הפנים של שוקת לנגמיור עם המחסומים כך שיתקבלו לחצים על פני השטח של שלושה, ואז חמישה, ולבסוף, שמונה מילי-ניוטון למטר כפי שמצוין על ידי מיקרו-איזון לחץ פני השטח. הקלט ספקטרום עם אור מקוטב p בזווית התרחשות של 40 מעלות עבור כל אחד מלחצי פני השטח הללו.

הסר בזהירות את הקופסה הסוגרת את שוקת לנגמיור. הרכיבו את מנורת ה-UV על מעמד תמיכה והניחו אותה במרחק של כ-50 סנטימטרים מפני המים, תוך הקפדה על כיסוי הממשק בחרוט אור ה-UV. לאחר אישור שהחד-שכבתי עדיין דחוסה בלחץ פני השטח של שמונה מילי-ניוטון למטר, כפי שנמדד על ידי מיקרו-איזון לחץ פני השטח, הגדר את המחסומים של שוקת לנגמיור כך שהם יהיו קבועים במיקום הנוכחי.

חשוף את ממשק האוויר-מים לאור UV. עקוב ורשום את השינוי בלחץ פני השטח על ידי מיקרו-איזון לחץ פני השטח המצויד בצלחת וילהלמי מנייר סינון לאורך כל מהלך ההקרנה. עצור את ההקרנה על ידי כיבוי המנורה לאחר 40 דקות של הקרנה בסך הכל.

סגור את שוקת Langmuir בקופסה האטומה על מנת למנוע זיהום של הממשק לפני שתאפשר להתקנה להתאזן למשך 30 דקות. לאחר מכן, הגדר את המחסומים של שוקת לנגמיור כדי לשמור על לחץ פני השטח שנצפה על ידי מיקרו-איזון לחץ פני השטח לאחר הקרנה. הקלט ספקטרום IR עם אור מקוטב p בזווית התרחשות של 40 מעלות.

התקן שני מצעי ספיר שנקו בעבר עם שני זוגות פינצטה המחוברים לזרוע מכנית. טבלו את המצעים בתת-פאזה, ונקו היטב את ממשק האוויר-מים לפני ההתפשטות. מורחים בזהירות כמות של 100 מיקרוליטר מתמיסת המלאי המדולל של אמפיפיל ההקסיין בכלורופורם DCM על מים טהורים במיוחד בשוקת לנגמיור.

השאירו את שוקת לנגמיור לשיווי משקל למשך 15 דקות, ואפשרו לממס להתאדות. דחיסת השכבה ללחץ פני השטח של שמונה מילינטוון למטר עם קצב דחיסה קבוע של חמישה אנגסטרומים למולקולה ודקה על ידי הקטנת שטח הפנים של שוקת לנגמיור עם המחסומים. עקוב אחר לחץ פני השטח באמצעות מיקרו-איזון לחץ פני השטח המצויד בלוח וילהלמי נייר סינון והגדר את המחסומים של שוקת לנגמיור כך שיישמר לחץ פני השטח של שמונה מילי-ניוטון למטר.

כדי להעביר את השכבה החד-שכבתית הלא מפוחמת למצע ספיר, שמור על השכבה החד-שכבתית בלחץ פני השטח של שמונה מילי-ניוטון למטר ומשוך את הזרוע המכנית כלפי מעלה במהירות של 1.2 מילימטר לדקה עד להסרת המצע הראשון לחלוטין מתת-השלב. המצע השני צריך להישאר שקוע בתת-השלב. אחזר בזהירות את המצע הראשון הנושא את השכבה הלא מפוחמת מזוג הפינצטה, אחסן אותו תחת הגנה מפני אור והשתמש בו ליישום המיועד בעת הצורך.

התקן את מנורת ה-UV על מעמד תמיכה והנח אותה במרחק של כ-50 סנטימטרים מפני המים תוך הקפדה על כיסוי הממשק בחרוט של אור ה-UV. ודא שהחד-שכבתי עדיין דחוסה בלחץ פני השטח של שמונה מילי-ניוטון למטר, וקבע את מיקום המחסומים. לחשוף את ממשק האוויר-מים לאור UV תוך ניטור ורישום השינוי בלחץ פני השטח כפי שנמדד על ידי מיקרו-איזון לחץ פני השטח לאורך כל מהלך ההקרנה.

לאחר סך של 40 דקות של הקרנה, הפסק את ההקרנה על ידי כיבוי המנורה. על מנת להעביר את הסרט המפוחם למצע ספיר, הגדר את המחסומים של שוקת לנגמיור כך שלחץ פני השטח הנמדד לאחר ההקרנה יישמר. תוך שמירה על לחץ פני השטח קבוע, החזר את הזרוע המכנית המחזיקה את המצע מהממשק במהירות של 1.2 מיליליטר לדקה עד להסרת המצע לחלוטין מתת-השלב.

אחזר בזהירות את המצע הנושא את השכבה המוגזת מזוג הפינצטה. התהודה המגנטית הגרעינית פחמן-13, או ספקטרום התמ"ג, של אמפיפיל הקסיין, מראה את האותות עבור כל 12 אטומי הפחמן ההיברידיים. דחיסה של שכבה של אמפיפיל הקסיין בממשק אוויר-מים מולידה איזותרמית של אזור לחץ פני השטח המציג שני שלבים, עם שיפוע תלול המופרד על ידי רמה מוטה חזק.

מוצגים כאן ספקטרום IRRA של סרט אמפיפיל הקסיין דחוס ללחצים פני השטח בין מילי-ניוטון למטר ל-8 מילי-ניוטון למטר. השוואה של ספקטרום ה-IRRA של סרט של אמפיפיל עשיר בפחמן תגובתי לפני קרינה אולטרה סגולה, המוצג בכחול, ולאחר הקרנה אולטרה סגולה, המוצג באדום, מראה כי רצועות ההקסאין נעלמות לחלוטין. מוצגים כאן ניסויי מיקרוסקופ זווית של ברוסטר עם סרט של אמפיפיל בממשק אוויר-מים לפני ואחרי פחמן על ידי קרינת UV.

לאחר קרינת UV, נצפה שינוי ברור במרקם הסרט וניתן לקרוע את הסרטים המפוחמים, ולהשאיר איים גדולים צפים בממשק האוויר-מים. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של ננו-יריעת פחמן לאחר העברת לנגמיור-שייפר לרשת Holey Carbon TEM, שצולמה בקצה ננו-יריעות הפחמן, מראה כמה עטיפות וקמטים. לאחר שליטה, ניתן להשתמש בטכניקה זו להכנת ננו-יריעות פחמן בעובי של פחות משני ננומטרים, וממדים רוחביים מורחבים המוגבלים רק על ידי גודל שוקת לנגמיור הזמינה.

בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לנקות בזהירות את ממשק האוויר-מים, ולכייל את מערך הניסוי לפני כל ניסוי. ואל תשכח שאמפיפיל ההקסיין הוא מאוד תגובתי, ויש לנקוט באמצעי זהירות, כגון הגנה עליו מפני אור, כדי למנוע פחמן מוקדם. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחומי ציפוי פני השטח או האריזה לחקור ננו-יריעות פחמן כשכבות הגנה בחומרים מרוכבים עם חומרים אחרים.