Forskning viser, at grafen danner elektrisk ladede rynker

Forskere fra Brown University har opdaget en anden ejendommelig og potentielt nyttig egenskab ved grafen, et-atom-tykke plader af kulstof, som kunne være nyttige til at vejlede selvsamling på nanoskala eller til at analysere DNA eller andre biomolekyler.

En undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the Royal Society A demonstrerer matematisk, hvad der sker med stakke af grafenark under let lateral kompression - et blidt klem fra deres sider. I stedet for at danne glat, let skrånende skævheder og rynker hen over overfladen, forskerne viser, at lagdelt grafen danner skarpe, savtandsknæk, der viser sig at have interessante elektriske egenskaber.

"Vi kalder disse kvante flexoelektriske rynker, " sagde Kyung-Suk Kim, en professor ved Brown's School of Engineering og avisens seniorforfatter. "Det interessante ved dem er, at hver rynke producerer en bemærkelsesværdig tynd linje af intens elektrisk ladning hen over overfladen, som vi tror kan være nyttige i en række forskellige applikationer."

Afgiften, Kim siger, genereres af elektronernes kvanteadfærd, der omgiver carbonatomerne i grafengitteret. Når atomlaget bøjes, elektronskyen bliver koncentreret enten over eller under lagplanet. Den elektronkoncentration får bøjningen til at lokalisere sig til et skarpt punkt, og producerer en elektrisk ladningslinje, der er cirka en nanometer bred og løber langs rynkens længde. Ladningen er negativ på tværs af spidsen af ​​en hævet højderyg og positiv langs bunden af ​​en dal.

Den elektriske ladning, Kim og hans kolleger siger, kunne være ret nyttigt. Det kunne, for eksempel, bruges til at lede selvsamling i nanoskala. De ladede rynker tiltrækker partikler med en modsat ladning, får dem til at samles langs krøllede kamme eller dale. Faktisk, Kim siger, partikelsamling langs rynker er allerede blevet observeret i tidligere eksperimenter, men dengang manglede observationerne en klar forklaring.

Disse tidligere eksperimenter involverede grafenplader og buckyballs - fodbold-formede molekyler dannet af 60 kulstofatomer. Forskere dumpede buckyballs på forskellige slags grafenplader og observerede, hvordan de spredte sig. I de fleste tilfælde, buckyballs spredt ud tilfældigt på et lag af grafen som kugler faldt på glat trægulv. Men på en bestemt type flerlagsgrafen kendt som HOPG, kuglerne ville spontant samle sig i lige kæder, der strækker sig hen over overfladen. Kim mener, at flexoelektriske rynker kan forklare den mærkelige adfærd.

"Vi ved, at HOPG naturligt danner rynker, når det produceres, " sagde Kim. "Det, vi tror, ​​der sker, er, at linjeladningen skabt af krøllerne forårsager buckyballs, som har en elektrisk dipol nær linjeladningen, at stille op."

Tilsvarende mærkelig adfærd er set i forsøg med biomolekyler som DNA og RNA på grafen. Molekylerne arrangerer sig nogle gange i ejendommelige mønstre i stedet for at floppe ud tilfældigt, som man kunne forvente. Kim og kolleger mener, at disse effekter også kan spores til rynker. De fleste biomolekyler har en iboende negativ elektrisk ladning, hvilket får dem til at stille sig op ad positivt ladede krinkeldale.

Det kan være muligt at konstruere krøllede overflader for at drage fuld fordel af den flexoelektriske effekt. For eksempel, Kim forestiller sig en krøllet overflade, der får DNA-molekyler til at blive strakt ud i lige linjer, hvilket gør dem nemmere at sekvensere.

"Nu hvor vi forstår, hvorfor disse molekyler står på linje, som de gør, vi kan tænke på at lave grafenoverflader med særlige rynkemønstre for at manipulere molekyler på bestemte måder, " sagde Kim.

Kims laboratorium i Brown har arbejdet i årevis med rynker i nanoskala, rynker, folder og folder. De har vist, at dannelsen af ​​disse strukturer kan kontrolleres omhyggeligt, styrker muligheden for krøllet grafen skræddersyet til en række forskellige applikationer.