Pesquisadores da Brown University descobriram outra propriedade peculiar e potencialmente útil do grafeno, folhas de carbono com um átomo de espessura, que poderia ser útil na orientação da automontagem em nanoescala ou na análise de DNA ou outras biomoléculas.

Um estudo publicado em Anais da Royal Society A demonstra matematicamente o que acontece com pilhas de folhas de grafeno sob leve compressão lateral - um aperto suave de seus lados. Em vez de formar suavidade, urdiduras e rugas suavemente inclinadas na superfície, os pesquisadores mostram que as formas de grafeno em camadas nítidas, torções em dente de serra que revelaram ter propriedades elétricas interessantes.

"Chamamos essas rugas flexoelétricas quânticas, "disse Kyung-Suk Kim, professor da Escola de Engenharia de Brown e autor sênior do artigo. "O que é interessante sobre eles é que cada ruga produz uma linha extremamente fina de carga elétrica intensa em toda a superfície, que achamos que pode ser útil em uma variedade de aplicações. "

A carga, Kim diz, é gerado pelo comportamento quântico dos elétrons ao redor dos átomos de carbono na rede de grafeno. Quando a camada atômica é dobrada, a nuvem de elétrons fica concentrada acima ou abaixo do plano da camada. Essa concentração de elétrons faz com que a curva se localize em uma ponta aguda, e produz uma linha de carga elétrica de aproximadamente um nanômetro de largura e percorre toda a extensão da dobra. A carga é negativa na ponta de uma crista elevada e positiva ao longo do fundo de um vale.

Essa carga elétrica, Kim e seus colegas dizem:pode ser bastante útil. Poderia, por exemplo, ser usado para direcionar a automontagem em nanoescala. As rugas carregadas atraem partículas com uma carga oposta, fazendo com que eles se agrupem ao longo de cristas ou vales. Na verdade, Kim diz, montagem de partículas ao longo das rugas já foi observada em experimentos anteriores, mas na época as observações careciam de uma explicação clara.

Esses experimentos anteriores envolveram folhas de grafeno e fulerenos - moléculas em forma de bola de futebol formadas por 60 átomos de carbono. Os pesquisadores jogaram fulerenos em diferentes tipos de folhas de grafeno e observaram como eles se dispersavam. Na maioria dos casos, os fulerenos se espalharam aleatoriamente em uma camada de grafeno, como mármores caídos no chão de madeira lisa. Mas em um tipo particular de grafeno multicamadas conhecido como HOPG, as bolas se reuniam espontaneamente em cadeias retas que se estendiam pela superfície. Kim acha que as rugas flexoelétricas podem explicar esse estranho comportamento.

"Sabemos que o HOPG naturalmente forma rugas quando é produzido, "Kim disse." O que achamos que está acontecendo é que a carga de linha criada pelas rugas faz com que os fulerenos, que tem um dipolo elétrico perto da carga de linha, Alinhar."

De forma similar, comportamentos estranhos foram vistos em experimentos com biomoléculas como DNA e RNA em grafeno. As moléculas às vezes se organizam em padrões peculiares, em vez de se espalharem aleatoriamente, como seria de se esperar. Kim e seus colegas acham que esses efeitos também podem ser atribuídos a rugas. A maioria das biomoléculas tem uma carga elétrica negativa inerente, o que faz com que eles se alinhem ao longo de vales ondulados carregados positivamente.

Pode ser possível projetar superfícies enrugadas para aproveitar ao máximo o efeito flexoelétrico. Por exemplo, Kim imagina uma superfície enrugada que faz com que as moléculas de DNA sejam esticadas em linhas retas, tornando-as mais fáceis de sequenciar.

"Agora que entendemos por que essas moléculas se alinham da maneira que se alinham, podemos pensar em fazer superfícies de grafeno com padrões particulares de rugas para manipular moléculas de maneiras específicas, "Kim disse.

O laboratório de Kim em Brown trabalha há anos com rugas em nanoescala, rugas, vincos e dobras. Eles mostraram que a formação dessas estruturas pode ser cuidadosamente controlada, reforçando a possibilidade de grafeno enrugado sob medida para uma variedade de aplicações.