Mikroskopbillede af små buckyballer stillet op på en lagdelt grafenoverflade. Ny forskning viser, at elektrisk ladede rynker i grafenoverfladen er ansvarlige for det mærkelige fænomen. Kredit:Kim Lab / Brown University
For et årti siden, forskere lagde mærke til noget meget mærkeligt, der skete, da buckyballs - fodboldformede kulstofmolekyler - blev dumpet på en bestemt type flerlags grafen, et fladt carbon nanomateriale. I stedet for at trille tilfældigt rundt som marmor på et trægulv, buckyballerne blev spontant samlet i enkeltfilskæder, der strakte sig over grafenoverfladen.
Nu, forskere fra Brown University's Engineering School har forklaret, hvordan fænomenet fungerer, og den forklaring kunne bane vejen for en ny type kontrolleret molekylær selvsamling. I et papir udgivet i Proceedings of the Royal Society A , Brown -teamet viser, at det lille, elektrisk ladede rynker i grafenark kan interagere med molekyler på overfladen, arrangere disse molekyler i elektriske felter langs rynkernes stier.
"Det, vi viser, er, at rynker kan bruges til at skabe 'molekylære lynlåse', der kan holde molekyler på en grafenoverflade i lineære arrays, "sagde Kyung-Suk Kim, direktør for Center for Advanced Materials Research i Brown's Institute for Molecular and Nanoscale Innovation og undersøgelsens seniorforfatter. "Dette lineære arrangement er noget, mennesker inden for fysik og kemi virkelig ønsker, fordi det gør molekyler meget lettere at manipulere og studere."
Det nye papir er en opfølgning på tidligere forskning af Kims team. I det første papir, de beskrev hvordan forsigtigt klemning af lag af grafen fra siden får det til at deformere på en ejendommelig måde. I stedet for at danne forsigtigt skrånende rynker, som du måske finder i et tæppe, der er blevet krøllet mod en væg, det komprimerede grafen danner spidse savtænder rynker hen over overfladen. De danner, Kims forskning viste, fordi arrangementet af elektroner i grafengitteret får krøllen af en rynke til at lokalisere langs en skarp linje. Rynkerne er også elektrisk polariseret, med krølletoppe med en stærk negativ ladning og dale med en positiv ladning.
Kim og hans team troede, at de elektriske ladninger langs rynkerne kunne forklare buckyballs mærkelige opførsel, dels fordi den type flerlags grafen, der blev brugt i de originale buckyball -eksperimenter, var HOPG, en type grafen, der naturligt danner rynker, når den produceres. Men teamet havde brug for at vise bestemt, at ladningen skabt af rynkerne kunne interagere med eksterne molekyler på grafenens overflade. Det var, hvad forskerne var i stand til at gøre i dette nye papir.
Deres analyse ved hjælp af densitet funktionel teori, en kvantemekanisk model af, hvordan elektroner er arrangeret i et materiale, forudsagde, at positivt ladede crinkle -dale skulle skabe en elektrisk polarisering i de ellers elektrisk neutrale buckyballer. Den polarisering skulle få buckyballs til at stille op, hver i samme orientering i forhold til hinanden og adskilt omkring to nanometer fra hinanden.
Disse teoretiske forudsigelser matcher nøje resultaterne af de originale buckyball -eksperimenter samt gentagne eksperimenter, der nyligt er rapporteret af Kim og hans team. Den tætte overensstemmelse mellem teori og eksperiment hjælper med at bekræfte, at grafen-rynker faktisk kan bruges til at styre molekylær selvsamling, ikke kun med buckyballs, men potentielt også med andre molekyler.
Kim siger, at denne molekylære zipperingskapacitet kan have mange potentielle anvendelser, især ved undersøgelse af biomolekyler som DNA og RNA. For eksempel, hvis DNA -molekyler kan strækkes lineært ud, det kunne sekventeres hurtigere og lettere. Kim og hans team arbejder i øjeblikket på at se, om dette er muligt.
"Her er et stort potentiale for at drage fordel af rynker og de interessante elektriske egenskaber, de producerer, "Sagde Kim.