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研究表明石墨烯形成帶電皺褶

在英國皇家學會會刊 A上發表的一項研究數學表明,在輕微的側向壓縮下輕微擠壓側面的石墨烯片會發生什麼情況。研究人員表示,層狀石墨烯形成尖銳的鋸齒狀扭結,結果具有令人感興趣的電性能,而不是在整個表面上形成光滑,平緩傾斜的經線和皺紋。

“我們稱之為量子撓曲電折痕,”布朗工程學院教授,該論文的資深作者Kyung-Suk Kim說。“有趣的是,每條皺紋都會在表面産生一個非常細的強電荷,我們認為這種電荷在各種應用中都可能有用。”

Kim說,這種電荷是由石墨烯晶格中碳原子周圍的電子的量子行為産生的。當原子層彎曲時,電子雲會變得集中在層平面之上或之下。該電子濃度導緻彎曲部位局部化為尖銳點,并産生大約1納米寬的電荷線并且運行皺紋的長度。在升高的山脊頂端收費為負值,沿山谷底部收取負值。

Kim和他的同事們說,這種電費可能非常有用。例如,它可以用于指導納米級自組裝。帶電的皺紋吸引帶有相反電荷的粒子,使它們沿着皺紋的山脊或山谷組裝。事實上,Kim說,在以前的實驗中已經觀察到沿着皺紋的顆粒組裝,但是當時觀察結果缺乏明确的解釋。

那些以前的實驗涉及石墨烯片和巴基球 – 由60個碳原子形成的足球形分子。研究人員将巴克球扔到不同種類的石墨烯片上,觀察它們是如何分散的。在大多數情況下,巴基球随機鋪在一層石墨烯上,像彈珠掉落在光滑的木地闆上。但是在一種稱為HOPG的特殊類型的多層石墨烯上,這些球會自發地組裝成伸展在表面上的直鍊。金認為彎曲電皺紋可以解釋這種奇怪的行為。

“我們知道HOPG在生産時自然會形成皺紋,”Kim說。“我們認為正在發生的事情是,由皺紋産生的線電荷導緻巴克球,它們在線電荷附近有一個電偶極子排列起來。”

類似地,在石墨烯上的生物分子如DNA和RNA的實驗中已經看到了奇怪的行為。分子有時會将自己排列成獨特的模式,而不是像人們所期望的那樣随機跳出。Kim和他的同事們認為這些影響也可以追溯到皺紋。大多數生物分子具有固有的負電荷,這導緻它們沿着帶正電荷的皺谷排列。

設計起皺的表面可以充分利用撓曲電效應。例如,Kim設想一個皺折的表面,可以使DNA分子以直線伸展,使其更容易排列。

“現在我們明白為什麼這些分子排列他們所做的事情了,我們可以考慮用特定的皺紋模式制造石墨烯表面,以特定的方式操縱分子,”Kim說。

布朗金的實驗室多年來一直緻力于納米皺紋,皺紋,折痕和褶皺。他們已經表明,可以仔細控制這些結構的形成,從而增強為各種應用量身定做的皺紋石墨烯的可能性。

來源:材料+

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