Uma década atrás, os cientistas notaram algo muito estranho acontecendo quando fulerenos - moléculas de carbono em forma de bola de futebol - foram despejados em um certo tipo de grafeno multicamadas, um nanomaterial de carbono plano. Em vez de rolar aleatoriamente como mármores em um piso de madeira, os fulerenos se juntaram espontaneamente em cadeias de fila única que se estendiam pela superfície de grafeno.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia da Brown University explicaram como o fenômeno funciona, e essa explicação pode abrir caminho para um novo tipo de automontagem molecular controlada. Em um artigo publicado em Anais da Royal Society A , a equipe Brown mostra que, minúsculo, rugas eletricamente carregadas em folhas de grafeno podem interagir com moléculas na superfície, organizar essas moléculas em campos elétricos ao longo dos caminhos das rugas.

"O que mostramos é que as rugas podem ser usadas para criar 'zíperes moleculares' que podem conter moléculas em uma superfície de grafeno em matrizes lineares, "disse Kyung-Suk Kim, diretor do Centro de Pesquisa de Materiais Avançados do Instituto de Inovação Molecular e em Nanoescala de Brown e autor sênior do estudo. "Este arranjo linear é algo que as pessoas em física e química realmente desejam porque torna as moléculas muito mais fáceis de manipular e estudar."

O novo artigo é uma continuação de pesquisas anteriores da equipe de Kim. Nesse primeiro artigo, eles descreveram como apertar suavemente as folhas de grafeno em camadas da lateral faz com que ele se deforme de uma maneira peculiar. Em vez de formar rugas levemente inclinadas como você pode encontrar em um tapete que foi amassado contra uma parede, o grafeno comprimido forma rugas pontiagudas de dente de serra na superfície. Eles formam, A pesquisa de Kim mostrou, porque o arranjo de elétrons na rede de grafeno faz com que a curvatura de uma ruga se localize ao longo de uma linha nítida. As rugas também são eletricamente polarizadas, com picos enrugados carregando uma forte carga negativa e vales carregando uma carga positiva.

Kim e sua equipe pensaram que as cargas elétricas ao longo das rugas poderiam explicar o estranho comportamento dos fulerenos, em parte porque o tipo de grafeno multicamadas usado nos experimentos originais do buckyball era HOPG, um tipo de grafeno que forma rugas naturalmente quando é produzido. Mas a equipe precisava mostrar definitivamente que a carga criada pelas rugas poderia interagir com moléculas externas na superfície do grafeno. Isso é o que os pesquisadores conseguiram fazer neste novo artigo.

Sua análise usando a teoria do funcional da densidade, um modelo de mecânica quântica de como os elétrons são organizados em um material, previu que vales crinkle carregados positivamente deveriam criar uma polarização elétrica nos buckyballs, de outra forma eletricamente neutros. Essa polarização deve fazer com que os fulerenos se alinhem, cada um na mesma orientação um em relação ao outro e espaçados em torno de dois nanômetros.

Essas previsões teóricas correspondem de perto aos resultados dos experimentos originais da buckyball, bem como aos experimentos repetidos recentemente relatados por Kim e sua equipe. O acordo próximo entre a teoria e o experimento ajuda a confirmar que as rugas do grafeno podem de fato ser usadas para direcionar a automontagem molecular, não apenas com fulerenos, mas potencialmente também com outras moléculas.

Kim diz que essa capacidade de zíper molecular pode ter muitas aplicações potenciais, particularmente no estudo de biomoléculas como DNA e RNA. Por exemplo, se as moléculas de DNA podem ser alongadas linearmente, ele poderia ser sequenciado de forma mais rápida e fácil. Kim e sua equipe estão trabalhando para ver se isso é possível.

"Há muito potencial aqui para tirar proveito do enrugamento e das propriedades elétricas interessantes que eles produzem, "Kim disse.