Un decennio fa, gli scienziati hanno notato qualcosa di molto strano che accadeva quando i buckyball - molecole di carbonio a forma di pallone da calcio - venivano scaricati su un certo tipo di grafene multistrato, un nanomateriale di carbonio piatto. Piuttosto che rotolare a caso come biglie su un pavimento di legno duro, i buckyball si sono assemblati spontaneamente in catene a file singolo che si estendevano sulla superficie del grafene.

Ora, ricercatori della School of Engineering della Brown University hanno spiegato come funziona il fenomeno, e quella spiegazione potrebbe aprire la strada a un nuovo tipo di autoassemblaggio molecolare controllato. In un articolo pubblicato su Atti della Royal Society A , il team Brown mostra che piccolo, le pieghe caricate elettricamente nei fogli di grafene possono interagire con le molecole sulla superficie, disponendo quelle molecole in campi elettrici lungo i percorsi delle pieghe.

"Ciò che mostriamo è che le pieghe possono essere utilizzate per creare "cerniere molecolari" in grado di trattenere le molecole su una superficie di grafene in matrici lineari, " disse Kyung-Suk Kim, direttore del Centro per la ricerca sui materiali avanzati presso l'Istituto Brown per l'innovazione molecolare e su nanoscala e autore senior dello studio. "Questa disposizione lineare è qualcosa che le persone in fisica e chimica vogliono davvero perché rende le molecole molto più facili da manipolare e studiare".

Il nuovo documento è un follow-up alla precedente ricerca del team di Kim. In quel primo foglio, hanno descritto come spremere delicatamente i fogli di grafene a strati lateralmente ne provoca la deformazione in un modo particolare. Invece di formare rughe leggermente inclinate come potresti trovare in un tappeto che è stato accartocciato contro un muro, il grafene compresso forma increspature appuntite a dente di sega sulla superficie. si formano, La ricerca di Kim ha mostrato, perché la disposizione degli elettroni nel reticolo del grafene fa sì che la curvatura di una ruga si localizzi lungo una linea netta. Le pieghe sono anche polarizzate elettricamente, con picchi increspati che trasportano una forte carica negativa e valli che trasportano una carica positiva.

Kim e la sua squadra pensavano che le cariche elettriche lungo le pieghe potessero spiegare lo strano comportamento dei buckyball, in parte perché il tipo di grafene multistrato utilizzato negli esperimenti originali sul buckyball era HOPG, un tipo di grafene che forma naturalmente pieghe quando viene prodotto. Ma il team aveva bisogno di dimostrare definitivamente che la carica creata dalle pieghe poteva interagire con le molecole esterne sulla superficie del grafene. Questo è ciò che i ricercatori sono stati in grado di fare in questo nuovo documento.

La loro analisi utilizzando la teoria del funzionale della densità, un modello quantomeccanico di come gli elettroni sono disposti in un materiale, predisse che le valli pieghettate caricate positivamente avrebbero dovuto creare una polarizzazione elettrica nelle buckyball altrimenti elettricamente neutre. Quella polarizzazione dovrebbe far allineare i buckyball, ciascuno nello stesso orientamento l'uno rispetto all'altro e distanziati di circa due nanometri l'uno dall'altro.

Quelle previsioni teoriche corrispondono da vicino ai risultati degli esperimenti originali sul buckyball, nonché agli esperimenti ripetuti appena riportati da Kim e dal suo team. Lo stretto accordo tra teoria ed esperimento aiuta a confermare che le pieghe del grafene possono effettivamente essere utilizzate per dirigere l'autoassemblaggio molecolare, non solo con i buckyball ma potenzialmente anche con altre molecole.

Kim dice che questa capacità di zip molecolare potrebbe avere molte potenziali applicazioni, in particolare nello studio di biomolecole come DNA e RNA. Per esempio, se le molecole di DNA possono essere allungate linearmente, potrebbe essere sequenziato più rapidamente e facilmente. Kim e il suo team stanno attualmente lavorando per vedere se questo è possibile.

"Qui c'è molto potenziale per sfruttare l'increspatura e le interessanti proprietà elettriche che producono, " ha detto Kim.