Может ли графеновая нанолента, подобно выжимаемой тряпке, менять направление скручивания? Исследователи из Нагойского университета в Японии дали утвердительный ответ. Согласно последнему выпуску журнала Nature Communications, учёным этого университета впервые удалось реализовать переключение направления скручивания графеновых нанолент по требованию. Этот результат открывает перспективы для создания новых материалов для перестраиваемых оптических переключателей, химических сенсоров и спинтронных устройств.
Гелиценовые наноленты представляют собой длинноцепочечные структуры, состоящие из нескольких конденсированных углеродных колец; такая структура придаёт молекуле скрученную форму (схематическое изображение). Источник изображения: Нагойский университет, Япония.
Графеновая нанолента — это узкая лентообразная наноструктура, состоящая из атомов углерода. При скручивании наноленты образуется спиралевидная форма, причём при скручивании влево и вправо её оптические и электронные свойства различаются. Ранее исследователи хотя и могли создавать спиралевидные графеновые наноленты, но им было трудно заставить их менять направление скручивания по необходимости.
Ключом к данному исследованию стал четырёхкольцевой гелиценовый блок, который прежде считался «плохо контролируемым». Эти блоки быстро переключаются между левой и правой спиральными формами, и им трудно сохранять фиксированное направление скручивания. Однако когда несколько блоков соединяются вместе, соседние блоки взаимодействуют друг с другом и стремятся скручиваться в одном направлении, в конечном итоге образуя относительно единообразную спиральную структуру.
На этой основе они далее использовали растворитель для управления направлением скручивания наноленты. После тестирования шести растворителей-кандидатов было обнаружено, что природное соединение β-пинен, происходящее из сосны и цитрусовых растений, способно выполнять эту функцию.
β-пинен существует в двух зеркально симметричных молекулярных формах, и разные молекулярные формы заставляют наноленту скручиваться в разных направлениях. Иными словами, заменяя растворитель, можно управлять тем, будет ли нанолента скручиваться влево или вправо.
После изменения направления скручивания наноленты изменяется и испускаемый ею свет: два состояния скручивания создают круговую поляризацию люминесценции в разных направлениях. Это означает, что, управляя направлением скручивания наноленты, можно регулировать её оптические свойства. Этот эффект переключения наиболее выражен при -90 °C, а по мере повышения температуры до комнатной он постепенно ослабевает.
По словам исследователей, это первый случай реализации такого переключаемого кругового поляризованного свечения в графеновых нанолентах. Этот материал, способный изменять направление скручивания и оптические свойства в зависимости от внешней среды, в будущем может найти применение в таких областях, как оптические переключатели, химические сенсоры и электронные устройства. Поскольку спиральная структура также может влиять на перенос электронов с различными спиновыми состояниями, она также перспективна для спинтронных устройств.