Bakterier tilføjer krusninger for at lave groovy grafen

grafen, et todimensionelt vidundermateriale sammensat af et enkelt lag af kulstofatomer forbundet i et sekskantet hønsetrådsmønster, har tiltrukket sig intens interesse for sin fænomenale evne til at lede elektricitet. Nu har forskere fra University of Illinois i Chicago brugt stavformede bakterier - præcist justeret i et elektrisk felt, derefter vakuumkrympet under et grafenark - for at introducere nanoskala krusninger i materialet, får den til at lede elektroner forskelligt i vinkelrette retninger.

Det resulterende materiale, en slags grafen nano-fløjl, kan anvendes på en siliciumchip og kan tilføje grafens næsten ubegrænsede potentiale inden for elektronik og nanoteknologi. Fundet er rapporteret i journalen ACS Nano .

"Strømmen over grafenrynkerne er mindre end strømmen langs dem, " siger Vikas Berry, lektor og midlertidig leder af kemiteknik ved UIC, der ledede forskningen.

Nøglen til dannelsen af ​​disse rynker, han sagde, er grafens ekstreme fleksibilitet på nanometerskalaen, som tillader dannelse af kulstof nanorør.

"Rynken åbner et 'V' i elektronskyen omkring hvert kulstofatom, " sagde Berry, skabe et dipolmoment, som kan åbne et elektronisk båndgab, som fladt grafen ikke har.

Andre forskere har skabt rynker i grafen ved at strække arket og lade det snappe tilbage. Men sådanne rynker er ikke begrænset i mikroskala og kan ikke rettes mod et sted på en mikro-enhed, sagde Berry.

Han og hans kolleger fandt på en unik måde at introducere afgrænsede, guidet, og regelmæssige grafen-bølger ved hjælp af bacillus-bakterier, ved at bruge selve grafenen som en kontraventil til at ændre cellernes volumen.

Forskerne placerede bakterierne i et elektrisk felt, får dem til at stille sig op som pølserækker i gentagne rækker. Derefter påførte de et ark grafen over toppen.

"Under vakuum, grafen løfter sig, og slipper vandet ud, " sagde Berry. Men under pres, grafen sidder tilbage på substratet og forhindrer vand i at trænge ind i bakterierne igen, han sagde.

"Det er en nanoskopisk ventil, der aktiverer ensrettet væskestrøm i en mikroorganisme, " sagde Berry. "Futuristisk set, denne ventiloperation kunne anvendes på mikrofluidiske enheder, hvor vi ønsker flow i den ene retning, men ikke den anden."

Efter at bakterierne er blevet vakuumkrympet, grafenen rekonformeres, men med rynker. Efter varmebehandling, de resulterende permanente krusninger oven på bakterierne er alle justeret i længderetningen, med en højde på 7 til 10 nanometer, og en bølgelængde på ca. 32 nm.

Rynkerne blev observeret ved feltemissionsscanningselektronmikroskopi, som skal gøres under højvakuum, og ved atomkraftmikroskopi ved atmosfærisk tryk.

"[rippel]-bølgelængden er proportional med tykkelsen af ​​materialet, og grafen er det tyndeste materiale i verden, " sagde Berry. "Vi forestiller os, at man med grafen kunne lave de mindste bølgelængderynker i verden - omkring 2 nanometer."

Det næste mål, han sagde, vil være at skabe processer for yderligere at forfine krusningerne og variere deres amplitude, bølgelængde og langsgående længde.

For at måle effekten af ​​bølgernes orientering på bærertransporten, kandidatstuderende Shikai Deng, avisens hovedforfatter, fremstillet en plus-formet enhed med bakterier justeret parallelt med et par elektroder og vinkelret på et andet par. Han fandt, at den krusede grafens ledningsbarriere var større i tværretningen end i længderetningen.

Introduktionen af ​​orienterede krusninger til grafen repræsenterer et helt nyt materiale, sagde Berry.

"Sammen med kulstof nanorør, grafen og fulleren, dette er en ny carbon allotrop - et halvt carbon nanorør knyttet til grafen, " sagde han. "Strukturen er anderledes, og de grundlæggende elektroniske egenskaber er nye."