Investigadores de la Universidad de Brown han descubierto otra propiedad peculiar y potencialmente útil del grafeno, láminas de carbono de un átomo de espesor, que podría ser útil para guiar el autoensamblaje a nanoescala o para analizar ADN u otras biomoléculas.

Un estudio publicado en Actas de la Royal Society A demuestra matemáticamente lo que sucede con las pilas de hojas de grafeno bajo una ligera compresión lateral:un suave apretón de sus lados. En lugar de formar suave, deformaciones y arrugas suavemente inclinadas a través de la superficie, los investigadores muestran que el grafeno en capas se forma nítidamente, torceduras de dientes de sierra que resultan tener interesantes propiedades eléctricas.

"Llamamos a estas arrugas cuánticas flexoeléctricas, "dijo Kyung-Suk Kim, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del artículo. "Lo interesante de ellos es que cada arruga produce una línea notablemente delgada de intensa carga eléctrica a través de la superficie, que creemos que podría ser útil en una variedad de aplicaciones ".

La carga, Kim dice, es generado por el comportamiento cuántico de los electrones que rodean a los átomos de carbono en la red de grafeno. Cuando la capa atómica se dobla, la nube de electrones se concentra por encima o por debajo del plano de la capa. Esa concentración de electrones hace que la curva se localice en un punto agudo, y produce una línea de carga eléctrica de aproximadamente un nanómetro de ancho a lo largo de la arruga. La carga es negativa a lo largo de la punta de una cresta elevada y positiva a lo largo del fondo de un valle.

Esa carga eléctrica Kim y sus colegas dicen:podría ser muy útil. Podria, por ejemplo, utilizarse para dirigir el autoensamblaje a nanoescala. Las arrugas cargadas atraen partículas con una carga opuesta, haciendo que se junten a lo largo de crestas o valles ondulados. De hecho, Kim dice, El ensamblaje de partículas a lo largo de las arrugas ya se ha observado en experimentos anteriores, pero en ese momento las observaciones carecían de una explicación clara.

Esos experimentos previos involucraron láminas de grafeno y buckyballs, moléculas con forma de balón de fútbol formadas por 60 átomos de carbono. Los investigadores arrojaron buckybolas en diferentes tipos de láminas de grafeno y observaron cómo se dispersaban. En la mayoría de los casos, las buckybolas se esparcen al azar sobre una capa de grafeno como canicas caídas sobre un piso de madera liso. Pero en un tipo particular de grafeno multicapa conocido como HOPG, las bolas se ensamblarían espontáneamente en cadenas rectas que se extendían por la superficie. Kim cree que las arrugas flexoeléctricas pueden explicar ese extraño comportamiento.

"Sabemos que el HOPG forma arrugas de forma natural cuando se produce, ", Dijo Kim." Lo que creemos que está sucediendo es que la carga de la línea creada por las arrugas causa las buckyballs, que tienen un dipolo eléctrico cerca de la línea de carga, alinear."

Similar, Se han observado comportamientos extraños en experimentos con biomoléculas como ADN y ARN en grafeno. Las moléculas a veces se organizan en patrones peculiares en lugar de flotar al azar como cabría esperar. Kim y sus colegas creen que estos efectos también se pueden atribuir a las arrugas. La mayoría de las biomoléculas tienen una carga eléctrica negativa inherente, lo que hace que se alineen a lo largo de valles ondulados cargados positivamente.

Podría ser posible diseñar superficies arrugadas para aprovechar al máximo el efecto flexoeléctrico. Por ejemplo, Kim imagina una superficie arrugada que hace que las moléculas de ADN se estiren en líneas rectas, lo que facilita su secuenciación.

"Ahora que entendemos por qué estas moléculas se alinean de la forma en que lo hacen, podemos pensar en hacer superficies de grafeno con patrones de arrugas particulares para manipular moléculas de formas específicas, "Dijo Kim.

El laboratorio de Kim en Brown ha estado trabajando durante años en arrugas a nanoescala, arrugas pliegues y pliegues. Han demostrado que la formación de estas estructuras se puede controlar cuidadosamente, reforzando la posibilidad de grafeno arrugado adaptado a una variedad de aplicaciones.