研究表明石墨烯形成帶電的皺紋

布朗大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了另一種特殊且可能有用的石墨烯特性，即一個原子厚的碳片，可用于指導(dǎo)納米級自組裝或分析DNA或其他生物分子。

發(fā)表在 英國皇家學(xué)會會刊A上的一項研究在數(shù)學(xué)上證明了在輕微側(cè)向壓縮下堆疊的石墨烯片會發(fā)生什么 - 從側(cè)面輕輕擠壓。研究人員表明，層狀石墨烯形成尖銳的鋸齒狀扭結(jié)，而不是在表面形成平滑，輕微傾斜的經(jīng)紗和皺紋，結(jié)果表明它們具有有趣的電性能。

“我們稱之為量性皺紋，”布朗工程學(xué)院教授，??該論文的資深作者Kyung-Suk Kim說。“它們的有趣之處在于每個皺紋在表面產(chǎn)生非常細的強電荷線，我們認為它可以用于各種應(yīng)用。”

Kim說，電荷是由石墨烯晶格中碳原子周圍的電子的量子行為產(chǎn)生的。當(dāng)原子層彎曲時，電子云在層平面的上方或下方變得集中。電子濃度導(dǎo)致彎曲定位到尖點，并產(chǎn)生大約1納米寬的電荷線并且沿著皺折的長度運行。在一個隆起的山脊的尖端上是負的，在山谷的底部是正的。

金和他的同事們說，這種電荷可能非常有用。例如，它可以用于指導(dǎo)納米級自組裝。帶電的皺紋吸引帶有相反電荷的顆粒，使它們沿著皺紋脊或谷部組裝。事實上，金說，在先前的實驗中已經(jīng)觀察到沿著皺紋的粒子組裝，但當(dāng)時的觀察結(jié)果缺乏明確的解釋。

之前的實驗涉及石墨烯片和巴基球 - 由60個碳原子形成的足球形分子。研究人員將布基球傾倒在不同種類的石墨烯片上，并觀察它們是如何分散的。在大多數(shù)情況下，布基球隨機散布在一層石墨烯上，就像在光滑的木地板上掉落的大理石一樣。但是在一種稱為HOPG的特定類型的多層石墨烯上，球會自發(fā)地組裝成在表面上延伸的直鏈。Kim認為，flexoelectric crinkles可以解釋這種奇怪的行為。

“我們知道HOPG在生產(chǎn)時會自然形成皺紋，”Kim說。“我們認為正在發(fā)生的事情是，由皺紋產(chǎn)生的線路電荷導(dǎo)致布基球在線路附近產(chǎn)生電偶極子排列。”

同樣，在石墨烯上生物分子如DNA和RNA的實驗中也發(fā)現(xiàn)了奇怪的行為。分子有時會以特殊的模式排列，而不是像人們預(yù)期的那樣隨意地蹦出來。Kim及其同事認為這些影響也可以追溯到皺紋。大多數(shù)生物分子具有固有的負電荷，這使得它們沿帶正電的皺紋谷排列。

有可能設(shè)計皺折表面以充分利用撓曲電效應(yīng)。例如，Kim設(shè)想一個皺折的表面，使DNA分子以直線伸展，使它們更容易排序。

“現(xiàn)在我們理解為什么這些分子按照它們的方式排列，我們可以考慮用特定的皺紋模式制作石墨烯表面來以特定的方式操縱分子，”Kim說。