曼切斯特大學利用石墨烯表面化學特性控制晶體結構新方法

江蘇雷射聯盟導讀：

來自 曼徹斯特大學 的 研究人員於ACS Nano發表的&34;一文 證明石墨烯的表面性質可用於控制從溶液中獲得的有機晶體的結構。

研究背景

從溶液中結晶是我們日常生活中可以經歷的基本過程之一。儘管此過程早在幾個世紀前就為人所知，並且對許多行業也很重要，但從溶液中的結晶仍未完全理解。這使得所需形式的晶體（多晶型物）的生產具有挑戰性。因此，建立對結晶過程的控制已成為數十年來積極研究的領域。

表面在結晶中起重要作用，因為溶質與表面的相互作用會改變成核的能量和動力學，從而導致異相成核。表面可以作為基材或作為雜質引入。儘管通過利用一些選定的表面已經實現了優先成核，但是由於缺乏對納米級結晶機制的認識，對於異質結晶智能模板的設計仍然沒有硬性規定。因此，需要開發超越傳統方法的方法。

實驗創新

在該研究中，研究人員提出了一種研究結晶的方法，該方法基於納米材料的使用和納米技術提供的工具。首先，與工業結晶器不同，結晶實驗是在微滴中進行的。其次，晶體通過拉曼光譜法表徵，可以測量單個晶體，從而可以檢測出多態結果的微小變化，這與X射線衍射不同，後者主要用於這些研究。最後，研究人員使用一種特殊類型的納米材料——石墨烯，最著名的二維晶體，具有獨特的特性。

石墨烯為基底實驗。圖片來源：維也納科技大學

石墨烯由單層碳原子組成。優異的電子、熱、機械和光學性能使石墨烯成為目前研究最多的材料之一。這種材料對於研究結晶非常有吸引力，因為它完全是一個表面，可以通過共價功能化和靜電摻雜輕鬆調整其表面性質，並且可以溶液加工。這使研究人員能夠執行兩種類型的結晶實驗：一種使用石墨烯作為底物基底，另一種使用石墨烯作為添加劑。這與先前的研究形成了對比，在先前的研究中，針對基底或添加劑是專門定製的。

石墨烯作為（a）添加劑和（b）基底的結晶實驗的化學反應。

研究人員使用具有不同表面化學性質的石墨烯作為模板研究甘氨酸的結晶。選擇甘氨酸來研究石墨烯在結晶中的應用，是因為它的分子簡單性和經過充分研究的多晶型物（表示為α，β和γ）。與蒸發液滴接觸區域的不穩定β型相比，石墨烯誘導亞穩態α-多晶型的優先結晶。葡萄牙阿威羅大學的Melle Franco教授進行的計算機模擬表明，這種選擇性與羥基的存在有關，允許與甘氨酸分子的氫鍵相互作用，從而一旦在晶體生長過程中添加了額外的多晶型層，α-形式比β-形式更受青睞。即石墨烯上存在少量氧化部分，這是增加α型穩定性的原因。

甘氨酸與石墨烯添加劑的結晶

甘氨酸的光學圖像在具有0，〜2，〜75和100％石墨烯覆蓋率的Si / SiO2基板上結晶（比例尺≈250μm）。

對在接觸區域生長的晶體進行光學檢查發現，通過用石墨烯塗覆矽基板，晶體的形態已發生改變：在接觸區域突出的細長晶體的數量隨石墨烯覆蓋率的增加而降低，這表明可能會減少 β-多晶型物晶體。對於GrECE（K）塗覆的基材，觀察到了類似的趨勢。

通過利用石墨烯可調的表面化學性質，石墨烯可以成為一種具有吸引力的多晶型選擇性和篩選材料。

Matthew Boyes和Adriana Alieva都是曼徹斯特大學的博士生，他們都為這項研究做出了貢獻。該研究這是在結晶實驗中使用石墨烯作為添加劑的開創性工作。研究人員使用了不同類型的具有不同氧含量的石墨烯，並研究了它們對晶體的影響觀察到，通過仔細調節石墨烯的氧含量，有可能誘發優先結晶。

領導該團隊的Cinzia Casiraghi教授表示最終，我們已經證明，先進的材料（例如石墨烯和納米技術的工具）使人們能夠以一種全新的方式研究溶液中有機分子的結晶。現在能夠轉向通常用於製藥和食品的分子，以進一步研究石墨烯在晶體工程領域的潛力。

本文來源：DOI: 10.1021/acsnano.0c04183