Kann ein Graphen-Nanoband seine Verdrehungsrichtung wie ein ausgewrungenes Handtuch ändern? Forscher der Universität Nagoya in Japan geben darauf eine bejahende Antwort. Laut einem Bericht in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Nature Communications" ist es den Forschern dieser Universität erstmals gelungen, die Verdrehungsrichtung von Graphen-Nanobändern gezielt umzuschalten. Diese Errungenschaft könnte neue Materialien für die Entwicklung abstimmbarer optischer Schalter, chemischer Sensoren und spintronischer Bauelemente liefern.
Helicen-Nanobänder sind lange Kettenstrukturen aus mehreren fusionierten Kohlenstoffringen; diese Struktur verleiht den Molekülen eine verdrehte Form (schematische Darstellung). Bildquelle: Universität Nagoya, Japan.
Graphen-Nanobänder sind schmale, bandförmige Nanostrukturen aus Kohlenstoffatomen. Wenn sich ein Nanoband verdreht, bildet es eine helixähnliche Form, und je nachdem, ob es sich nach links oder nach rechts verdreht, unterscheiden sich auch seine optischen und elektronischen Eigenschaften. Zwar konnten Forscher bereits helicale Graphen-Nanobänder herstellen, doch war es schwierig, ihre Verdrehungsrichtung nach Bedarf zu ändern.
Der Schlüssel dieser Studie liegt in einer tetracyklischen Helicen-Einheit, die bisher als „schwer kontrollierbar" galt. Diese Einheiten wechseln schnell zwischen links- und rechtshändigen Zuständen und es ist schwierig, eine feste Verdrehungsrichtung beizubehalten. Wenn jedoch mehrere Einheiten miteinander verbunden werden, beeinflussen sich benachbarte Einheiten gegenseitig und neigen dazu, sich in dieselbe Richtung zu verdrehen, wodurch schließlich eine relativ einheitliche helicale Struktur entsteht.
Auf dieser Grundlage nutzten sie weiterhin ein Lösungsmittel, um die Verdrehungsrichtung der Nanobänder zu steuern. Nach dem Test von sechs Kandidatenlösungsmitteln stellte sich heraus, dass die aus Kiefern und Zitruspflanzen stammende natürliche Verbindung β-Pinen wirksam ist.
β-Pinen liegt in zwei zueinander spiegelbildlichen Molekülformen vor, und unterschiedliche Molekülformen bewirken eine Verdrehung der Nanobänder in unterschiedliche Richtungen. Das heißt, durch Wechsel des Lösungsmittels lässt sich steuern, ob sich das Nanoband nach links oder nach rechts verdreht.
Wenn sich die Verdrehungsrichtung des Nanobands ändert, ändert sich auch das von ihm emittierte Licht; die beiden Verdrehungszustände erzeugen zirkular polarisierte Lumineszenz in unterschiedlichen Richtungen. Das bedeutet, dass durch die Steuerung der Verdrehungsrichtung des Nanobands seine optischen Eigenschaften reguliert werden können. Dieser Umschalteffekt ist bei −90 °C am deutlichsten und nimmt mit steigender Temperatur bis hin zur Raumtemperatur allmählich ab.
Die Forscher erklären, dass dies das erste Mal sei, dass eine solche umschaltbare zirkular polarisierte Lumineszenz in Graphen-Nanobändern realisiert wurde. Dieses Material, das seine Verdrehungsrichtung und optischen Eigenschaften je nach äußerer Umgebung ändern kann, könnte künftig in Bereichen wie optischen Schaltern, chemischen Sensoren und elektronischen Bauelementen eingesetzt werden. Da die helicale Struktur möglicherweise auch den Transport von Elektronen mit unterschiedlichen Spin-Zuständen beeinflussen kann, könnte sie auch für spintronische Bauelemente genutzt werden.