Исследователи из Брауновского университета обнаружили еще одно своеобразное и потенциально полезное свойство углеродного листа толщиною в один атом, известного как графен, который может быть полезен при наноразмерной самосборке или анализе ДНК или других биомолекул.
Исследователи математически продемонстрировали, что происходит с набором графеновых листов при небольшом боковом сжатии – мягкое сдавливании с их сторон. Исследование показало, что вместо образования гладких, слегка наклонённых искривлений и морщин на поверхности, слоистый графен образует острые пилообразные зубцы, которые, как оказалось, обладают довольно интересными электрическими свойствами.
«Мы называем их квантовыми флексоэлектрическими изгибами», – сказал Кюнг-Сук Ким, профессор инженерного факультета Брауновского университета и старший автор исследования. «Что интересно, каждый изгиб создает поразительно тонкую линию интенсивного электрического заряда на поверхности, что, по нашему мнению, может быть полезным в самых разных областях применения».
Заряд, как утверждает Ким, генерируется квантовым поведением электронов, окружающих атомы углерода в решетке графена. Когда атомный слой изгибается, электронное облако концентрируется либо выше, либо ниже плоскости слоя. Такая концентрация электронов приводит к тому, что изгиб локализуется в острую точку, создавая линию электрического заряда шириной примерно 1 нм, которая проходит вдоль длины изгиба. На кончике поднятой кромки заряд отрицательный, а вдоль углубления на поверхности – положительный.
Этот электрический заряд, по словам Кима и его коллег, может быть весьма полезным. Его можно было бы, например, использовать для наведения прямой самосборки на наноуровне, при этом заряженные изгибы притягивали бы частицы с противоположным зарядом, заставляя их собираться вдоль выступов или углублений. Более того, говорит Ким, сосредоточение частиц вдоль изгибов уже наблюдалась в предыдущих экспериментах, но на то время для наблюдений не было четкого объяснения.
В предыдущих экспериментах были задействованы графеновые листы и бакиболы (фуллерены) – молекулы в форме, напоминающей футбольный мяч, с кластерной углеродной структурой, содержащей от 10 до 1000 атомов, образованные 60 атомами углерода. Исследователи выгружали бакиболы на разные виды графеновых листов и наблюдали, как они рассеиваются. В большинстве случаев бакиболы рассредоточивались беспорядочно на слое графена, подобно стеклянным шарикам на гладком деревянном полу. Но на одном конкретном типе многослойного графена, известного как ВОПГ (высокоориентированный пиролитический графит), шарики самопроизвольно сформировали прямые цепи, простирающиеся по всей поверхности. Ким счиает, что именно флексоэлектрические изгибы могут объяснить такое странное поведение.
«Известно, что ВОПГ естественным образом образует изгибы при производств», – говорит Ким. «Мы думаем, что происходит следующее: линейный заряд, создаваемый изгибами, заставляет бакиболы, которые обладают электрическим диполем вблизи линейного заряда, выстраиваться в линию».
Аналогичным образом, странное поведение наблюдалось в экспериментах с биомолекулами, такими как ДНК и РНК, на графене. Молекулы время от времени выстраивались в своеобразные узоры, но не случайным образом, как можно было ожидать. Ким и его коллеги считают, что эти эффекты можно проследить и до изгибов. Большинство биомолекул имеют собственный отрицательный электрический заряд, что заставляет их выстраиваться вдоль положительно заряженных морщинистых углублений.
Возможно, получится обработать сморщенные поверхности таким образом, чтобы в полной мере воспользоваться флексоэлектрическим эффектом. Например, Ким представляет сморщенную поверхность, которая заставит молекулы ДНК растягиваться прямыми линиями, что облегчит их упорядочивание.
«Теперь, когда мы понимаем, почему эти молекулы выстраиваются именно таким способом, мы можем думать о создании графеновых поверхностей с особыми узорами изгибов, чтобы управлять молекулами определенным образом», – говорит Ким.
Лаборатория Кима в Брауновском университете много лет работает над наноразмерными морщинами, изгибами, сгибами и складками. Лаборатория доказала, что формирование этих структур можно тщательно контролировать, укрепляя возможность морщинистого графена, адаптированного для различных применений.
