锯齿状石墨烯纳米带：未来电子设备的创新“灯串”

有机化学，即碳化合物的化学，是地球上所有生命的基础。然而，金属在许多生化过程中也扮演着关键角色。当涉及将重金属原子与轻有机化合物“结合”时，自然通常依赖于一组特定的化学结构：卟啉。这些分子形成一个有机环；在其中心，铁、钴或镁等单个金属离子可以被“固定”。

卟啉框架是人类血液中血红蛋白、植物中光合作用的叶绿素，还有很多酶的基础。根据卟啉所捕获的金属不同，所形成的化合物可以展现出广泛的化学和物理特性。化学家和材料科学家长期以来一直寻求利用卟啉的这种灵活性和功能性，包括在分子电子学中的应用。

然而，对于电子元件，甚至是分子元件，要正常工作，它们必须相互连接。将单个分子连接起来并非易事。但这正是Empa的nanotech@surfaces实验室与马克斯·普朗克聚合物研究所的合成化学家合作所取得的成就。

他们成功地以非常精确和明确的方式将卟啉附着在石墨烯纳米带上。这项研究刚刚发表在《自然化学》期刊上。

碳“骨干”

石墨烯纳米带是由二维碳材料石墨烯构成的长而窄的条带。根据宽度和边缘形状，石墨烯纳米带展现出多种物理特性，包括不同的导电性、磁性和量子行为。

Empa的研究人员使用了一条仅1纳米宽的所谓锯齿边缘的纳米带作为分子导线。在这些边缘上，卟啉分子以完全规则的间隔停靠，交替分布在纳米带的左右两侧。

“我们的石墨烯带由于其锯齿边缘展现出一种特殊类型的磁性，”这项研究的主要作者向飞飞解释。另一方面，卟啉分子中的金属原子以更“常规”的方式展现磁性。二者的区别在于提供磁性自旋的电子。

虽然金属中心中携带自旋的电子局限于金属原子上，但石墨烯带中的相应电子则沿着两个边缘“扩散”开来。

“由于将卟啉耦合到石墨烯骨架上，我们成功地在一个系统中结合并连接了两种类型的磁性，”共同作者、纳米技术@表面实验室副主任奥利弗·格罗宁解释道。

这种耦合为分子电子学领域打开了许多新机遇。石墨烯带既是电导体又是磁导体——在卟啉分子之间充当一种纳米级的“连接线”。这种石墨烯纳米带的相关磁性被认为在量子技术应用中尤其有前景，因为支撑磁性的自旋充当信息载体。

“我们的石墨烯带和卟啉可以作为一系列互联的量子比特，”纳米技术@表面实验室主任罗曼·法塞尔说。

感知、发射与导电

但这还不是全部：卟啉也是天然色素，如叶绿素和血红蛋白中的分子所示。对于材料科学家来说，这就意味着“卟啉中心具有光学活性，”格罗宁说。

光学是与这些分子链的电子和磁性特性相互作用的重要手段。卟啉能够发出光，其波长会随着整个分子系统的磁态变化——这就像一串分子灯，信息可以通过微妙的颜色变化来读取。

反向过程也是可能的：卟啉可以被光激发，从而影响石墨烯骨架的导电性和磁性。这些分子全能者甚至可以用作化学传感器。

卟啉分子可以很容易地进行功能化——也就是通过附加特定的化学基团进行化学修饰。如果其中一个添加的基团与目标化学物质结合，这种相互作用也会影响石墨烯带状结构的导电性。

“我们的系统就像一个工具箱，可以用来调节不同的特性，”法塞尔说。接下来，研究人员计划探索卟啉内部不同的金属中心，并研究它们的作用。他们还计划扩展石墨烯带的骨架，为他们的分子系统提供更通用的电子基础。

这些“灯串”的合成并不简单。“我们在马克斯·普朗克研究所的合作伙伴能够生产出由一个卟啉核心和几个碳环，恰好放置在正确的位置的前驱体分子，”格罗宁说。

这些复杂的分子随后在超高真空下“烘烤”，在几百摄氏度下形成长链。金属表面作为“烘焙盘”。这是实现这些纳米级精细结构的唯一方法，且具有原子级的精度。Empa团队正在努力让这些新型设计材料能够应用于未来的量子技术。

更多信息： Feifei Xiang等，带有周期性卟啉边缘扩展的锯齿状石墨烯纳米带，自然化学（2025）。 DOI: 10.1038/s41557-025-01887-9