I ricercatori della Brown University hanno scoperto un'altra proprietà peculiare e potenzialmente utile del grafene, fogli di carbonio dello spessore di un atomo, che potrebbero essere utili per guidare l'autoassemblaggio su scala nanometrica o per analizzare il DNA o altre biomolecole.

Uno studio pubblicato su Atti della Royal Society A dimostra matematicamente cosa succede alle pile di fogli di grafene sotto una leggera compressione laterale, una leggera compressione dai loro lati. Piuttosto che formare liscio, orditi e rughe leggermente inclinati sulla superficie, i ricercatori mostrano che il grafene a strati si forma nitido, pieghe a dente di sega che risultano avere interessanti proprietà elettriche.

"Chiamiamo queste pieghe flessoelettriche quantistiche, " disse Kyung-Suk Kim, un professore alla Brown's School of Engineering e autore senior del documento. "La cosa interessante di loro è che ogni piega produce una linea notevolmente sottile di intensa carica elettrica attraverso la superficie, che pensiamo possa essere utile in una varietà di applicazioni."

La carica, Kim dice, è generato dal comportamento quantistico degli elettroni che circondano gli atomi di carbonio nel reticolo di grafene. Quando lo strato atomico è piegato, la nuvola di elettroni si concentra sopra o sotto il piano dello strato. Quella concentrazione di elettroni fa sì che la curvatura si localizzi in una punta acuminata, e produce una linea di carica elettrica larga circa un nanometro e che percorre la lunghezza della piega. La carica è negativa sulla punta di una cresta rialzata e positiva lungo il fondo di una valle.

Quella carica elettrica, Kim e i suoi colleghi dicono, potrebbe essere molto utile. Potrebbe, Per esempio, essere utilizzato per dirigere l'autoassemblaggio su scala nanometrica. Le pieghe cariche attraggono particelle con carica opposta, facendoli assemblare lungo creste o valli increspate. Infatti, Kim dice, l'assemblaggio delle particelle lungo le pieghe è già stato osservato in precedenti esperimenti, ma all'epoca le osservazioni mancavano di una chiara spiegazione.

Quegli esperimenti precedenti riguardavano fogli di grafene e buckyball, molecole a forma di pallone da calcio formate da 60 atomi di carbonio. I ricercatori hanno scaricato buckyball su diversi tipi di fogli di grafene e hanno osservato come si sono dispersi. Nella maggior parte dei casi, i buckyball si sono sparsi casualmente su uno strato di grafene come biglie lasciate cadere sul pavimento di legno liscio. Ma su un particolare tipo di grafene multistrato noto come HOPG, le sfere si assemblano spontaneamente in catene diritte che si estendono sulla superficie. Kim pensa che le pieghe flessoelettriche possano spiegare quello strano comportamento.

"Sappiamo che HOPG forma naturalmente pieghe quando viene prodotto, " Kim ha detto. "Quello che pensiamo stia accadendo è che la linea di carica creata dalle pieghe provoca i buckyball, che hanno un dipolo elettrico vicino alla carica di linea, allineare."

Allo stesso modo, strani comportamenti sono stati osservati in esperimenti con biomolecole come DNA e RNA sul grafene. Le molecole a volte si dispongono secondo schemi particolari piuttosto che fuoriuscire casualmente come ci si potrebbe aspettare. Kim e colleghi pensano che questi effetti possano essere ricondotti anche alle pieghe. La maggior parte delle biomolecole ha una carica elettrica negativa intrinseca, che li fa allineare lungo valli pieghettate caricate positivamente.

Potrebbe essere possibile progettare superfici increspate per sfruttare appieno l'effetto flessoelettrico. Per esempio, Kim immagina una superficie increspata che fa allungare le molecole di DNA in linee rette, rendendole più facili da sequenziare.

"Ora che abbiamo capito perché queste molecole si allineano in quel modo, possiamo pensare di realizzare superfici di grafene con particolari pattern di increspatura per manipolare le molecole in modi specifici, " ha detto Kim.

Il laboratorio di Kim alla Brown lavora da anni sulle rughe su scala nanometrica, pieghe, pieghe e pieghe. Hanno dimostrato che la formazione di queste strutture può essere attentamente controllata, rafforzando la possibilità di grafene increspato su misura per una varietà di applicazioni.