روشی جدید در ساخت غشاهای نانویی با ضخامت تک‌مولکولی

یکی از مشکلاتی که محققان در مسیر تولید شبکه‌های کربن‌دار دوبعدی(مانند گرافن) با آن مواجهند، این است که روش‌های ساخت چنین موادی دارای محدودیت‌هایی چون نبود کنترل در سطح مولکولی هستند. اخیراً محققان در جهت رفع این موانع گام برداشته، راهکارهای جدیدی برای شکل‌دهی صفحات تک‌لایه‌ای کربنی ارائه کرده‌اند. با این راهکارهای جدید می‌توان لایه‌های مذکور را به اشکال مختلفی چون صفحات دوبعدی، بالون‌ها، لوله‌ها و صفحات چین‌دار درآورد.

یکی از مشکلاتی که محققان در مسیر تولید شبکه‌های کربن‌دار دوبعدی(مانند گرافن)
با آن مواجهند، این است که روش‌های ساخت چنین موادی دارای محدودیت‌هایی چون
نبود کنترل در سطح مولکولی هستند. اخیراً محققان در جهت رفع این موانع گام
برداشته، راهکارهای جدیدی برای شکل‌دهی صفحات تک‌لایه‌ای کربنی ارائه کرده‌اند.
با این راهکارهای جدید می‌توان لایه‌های مذکور را به اشکال مختلفی چون صفحات
دوبعدی، بالون‌ها، لوله‌ها و صفحات چین‌دار درآورد.

دکتر جان راجرز، پروفسور علم و مهندسی مواد در دانشگاه ایلینویز با همکاری چند
شیمی‌دان روش جدیدی برای ساخت غشاهای تک‌لایه‌ای کربن‌دار ابداع کرده‌اند. این
غشاها بسیار مستحکم بوده، می‌توان آنها را بدون پاره ‌شدن بر روی حفره‌هایی با
قطر ۴۴ نانومتر قرار داد، همچنین غشاهای مذکور بر روی سطوحِ ساختار‌دهی‌شده‌ و
شکل‌دهنده‌های سه‌بعدی قرار داده شده‌اند و پس از جداسازی از آنها، شکل جدید
خود را حفظ نمودند.

روش مورد استفاده این محققان در ساخت این غشاها، دو مرحله دارد:

(۱)تشکیل فاز محلول از یک تک‌لایه خودمونتاژشده از مولکول‌ها بر روی یک سطح؛
این فرایند از طریق ایجاد پیوندهای کووالانسی بین یکی از انتهاهای مولکول‌ها و
سطح مذکور انجام می‌گیرد؛

(۲)واکنش‌های شیمیایی پیوندزنی که در بین مولکول‌های مجاور در تک‌لایه‌ی مذکور،
پیوندهای کووالانسی ایجاد می‌کنند. پس از پیاده‌سازی این دو مرحله، یک لایه
دوبعدی کربنی با اتصالات درونی زیاد، تشکیل می‌گردد. می‌توان این فرایند
دومرحله‌ای را بر روی زیرلایه‌های تخت(به‌‌عنوان مثال ویفرهای سیلیکونی) یا
انحنادار(استوانه‌ها و کره‌ها) و یا سطوح ساختاردهی‌شده پیاده‌سازی نمود.

گرچه این نانوغشاها، ساختار بی‌عیبی چون گرافن ندارند؛ روش تولید آنها، ساخت
آنها را در مقیاس‌های تولید بزرگ‌تر امکان‌پذیر ساخته‌است. راجرز در این باره
گفت:«مواد ما این قابلیت را دارند که خصوصیات مکانیکی، حرارتی و الکتریکی بسیار
خوبی را از خود نشان دهند و به‌دلیل شیوه ساختشان، برای اضافه ‌شدن به ابزارها
در مقیاس بزرگ بسیار مناسبند. این ویژگی در گرافن وجود ندارد».

هم‌اکنون کاربردهای بالقوه بسیار زیادی برای غشاهای مذکور وجود دارد: یکی از
آنها غشای جداساز در ابعاد مولکولی است که در آنالیز‌های شیمیایی و بیوشیمیایی
کاربرد دارد، همچنین به‌دلیل کنترل بالایی که در این روش بر روی ترکیب شیمیایی
غشا وجود دارد، از این غشاها در ساخت غربال‌های مولکولی نیز می‌توان استفاده
کرد. یکی دیگر از کاربردهای بالقوه این ماده، نیمه‌رساناهای پلیمری و مولکولی
آلی هستند که در الکترونیک انعطاف‌پذیر و صفحات نمایش و ابزارهای مربوطه کاربرد
دارند؛ البته هنوز تک‌لایه‌های کربنی برای به‌کارگیری در الکترونیک پیشرفته
مناسب نیستند و در این خصوص باید اصلاحاتی روی آنها انجام گیرد.

نتایج این تحقیق در نشریه PNAS به چاپ رسیده‌است.