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(gè)原子厚的碳片，可用于指導(dǎo)納米級(jí)自組裝或分析DNA或其他生物分子。

發(fā)表在 英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊A上的一項(xiàng)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(huì)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(shuō)。“它們的有趣之處在于每個(gè)皺紋在表面產(chǎn)生非常細(xì)的強(qiáng)電荷線，我們認(rèn)為它可以用于各種應(yīng)用。”

Kim說(shuō)，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(shí)，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(diǎn)，并產(chǎn)生大約1納米寬的電荷線并且沿著皺折的長(zhǎng)度運(yùn)行。在一個(gè)隆起的山脊的尖端上是負(fù)的，在山谷的底部是正的。

金和他的同事們說(shuō)，這種電荷可能非常有用。例如，它可以用于指導(dǎo)納米級(jí)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(shí)上，金說(shuō)，在先前的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀察到沿著皺紋的粒子組裝，但當(dāng)時(shí)的觀察結(jié)果缺乏明確的解釋。

之前的實(shí)驗(yàn)涉及石墨烯片和巴基球 - 由60個(gè)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(jī)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(huì)自發(fā)地組裝成在表面上延伸的直鏈。Kim認(rèn)為，flexoelectric crinkles可以解釋這種奇怪的行為。

“我們知道HOPG在生產(chǎn)時(shí)會(huì)自然形成皺紋，”Kim說(shuō)。“我們認(rèn)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(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了奇怪的行為。分子有時(shí)會(huì)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(lái)。Kim及其同事認(rèn)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(fù)電荷，這使得它們沿帶正電的皺紋谷排列。

有可能設(shè)計(jì)皺折表面以充分利用撓曲電效應(yīng)。例如，Kim設(shè)想一個(gè)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(lái)以特定的方式操縱分子，”Kim說(shuō)。