一个偶然的发现可以为改进基于石墨的电子设备铺平道路。

科学家们已经开发出一种简单的方法，可以将分子在一个平面上与一个平面的石墨烯表面结合起来。有效地控制分子排列，有望在表面化学和分子工程以及材料科学方面取得重大进展。

底部的灰色平面表示石墨烯表面。由红色、白色、黄色和灰色的球组成的粘着的粒子代表表面活性剂（十二烷基硫酸钠（SDS））分子。灰色的反金字塔状结构代表了AFM的探针尖端。

根据发表在科学报告上的一项研究，名古屋大学的一组科学家已经开发出一种简单而有效的方法，可以在石墨烯上构造完美的单向分子组装结构。这种方法在其他研究中偶然发现，它依赖于一个普通的实验室工具，原子力显微镜（AFM），来控制分子的排列。

石墨烯是由碳元素制成的，它吸引了许多科学家的广泛兴趣，因为它是下一代电子材料的强大候选，因为它们具有独特的特性。一种可靠的方法可以使石墨烯表面的分子或分子组件完美地结合在一起，这可能会引导人们对石墨烯的电学性质进行调整，从而提高石墨烯电子器件的性能。尽管近年来被广泛研究，但在理想的方向上，排列整齐的分子纳米结构的生长仍然很困难。这是因为石墨烯表面有三层对称，它们之间的热动力是相互等价的，因此很难将分子排列在一个方向上。

为了解决这一问题，由宫内智博士和JST-ERATO Itami分子纳米碳项目和改造生物分子研究所（ITbM）的Kenichiro Itami教授领导的研究小组，主要关注由AFM尖端扫描引起的物理变化。AFM是一种主要用于分析表面的技术，通过在表面上滑动探头尖端，产生图像显示样品表面的不均匀性。研究小组怀疑，尖端扫描改变了石墨烯表面的热动力学条件，并影响了分子排列的方向。

研究小组调查了AFM尖端扫描如何导致石墨烯表面分子排列的变化。他们使用一种常见的表面活性剂分子十二烷基硫酸钠（SDS）作为一种模型分子。研究表明，SDS在石墨烯表面形成了带状的组装。

使用一个微型注射器泵，SDS解决方案被缓慢地注入到一个水滴的多层石墨烯中。研究小组比较了SDS分子如何附着在石墨烯上，这是一种叫做吸附（不与吸收混淆）的过程，并且没有AFM尖端扫描。

在SDS注入后1小时内记录的AFM高度图像显示了表面的随机不均匀性，这表明在石墨烯表面上随机吸附了SDS分子。经过15分钟的密集扫描，SDS的吸附形态发生了巨大的变化，许多带状的分子被观察到。这一现象表明，AFM尖端扫描的强度和方向影响着生成的SDS带的方向。

“我们真诚地想要澄清这一令人惊讶的现象，”JST-ERATO项目的小组组长YuheiMiyauchi说。

研究小组分析了AFM扫描方向与观察到的带状取向之间的相关性。他们发现，当带状生长轴和扫描方向之间的相对角度更大时，SDS的丝带就会变得很容易。此外，计算计算表明，在AFM扫描条件下，吸附SDS分子实际上是被移除的。将具有较大角度的SDS分子吸附在AFM尖端扫描方向上，可以很容易地拆卸。因此，将小角度吸附于AFM尖端扫描方向的分子充当细胞核，成长为SDS带。

在他们的理解基础上，研究小组试图在石墨烯上构建完全一致的SDS分子组件。

“这项研究最困难的部分是如何精确地控制SDS带的生长和方向，”洪说。“一旦SDS丝带生长，它们的方向在AFM扫描条件下不会改变。我们必须及时进行快速的AFM扫描，就在那一刻，SDS分子被注入到石墨烯表面的水中。”

在精细调整的AFM扫描条件下，他们成功地构建了单个的一维分子程序集，它们沿着石墨烯晶格的选定对称轴排列。

“在AFM分析中，AFM尖端扫描对样品的动力学力学效应被认为是不利的，”博士后西原博士说，他是一位博士后研究员，他进行了统计分析并分析了这个实验的机理。“我们对AFM尖端扫描所产生的效果的隐藏作用的发现，也可以为其他相关领域的研究人员提供洞见。”

“这项研究最好的部分是，我们能够证明AFM扫描可以诱导分子模式在石墨烯上的“对称性破坏”效应，”洪说。“对于二维（2D）材料的各向异性分子模式的增长，这是非常重要的，例如超晶格，在学术和工业研究中都是必不可少的。”

“我们打破表面对称性的概念可以适用于各种各样的目的，例如在分子电子学中产生分子电路，以及在生物科学中控制细胞趋化性，”Miyauchi说。