Графенът – материал, състоящ се от въглеродни листове с дебелина един атом – би могъл да се окаже полезен при направляването на самосглобяващи се структури на нано-ниво при анализ на ДНК или други биомолекули, установиха изследователи от университета „Браун”.
Проучването демонстрира математически какво се случва с набори от графенови листове при незначително странично компресиране – леко изтласкване откъм страните им. Вместо да образуват гладки, леко наклонени гънки и бръчки по повърхността, пластовете графен образуват остри „зъби”. Оказало се, че тези „зъби” притежават интересни електрически свойства.
„Ние наричаме това квантови флексоелектрични бръчки”, казва Кинг-Сук Ким, професор в Школата по инженеринг в „Браун” и главен автор на статията в „Proceedings of the Royal Society A” относно откритието. „Интересното е, че всяка бръчка произвежда забележителна тънка линия интензивен електрически заряд по повърхността, която, според нас, може да бъде полезна за различни приложения”.
Зарядът се генерира от квантовото поведение на електроните около въглеродните атоми в решетката на графена. Когато атомният слой се огъне, електронният облак се концентрира или над, или под равнината на слоя. Тази концентрация на електрони води до това, че огъването се локализира в една остра точка и създава линия от електрически заряд, широк приблизително един нанометър и простиращ се по цялата дължина на гънката. Зарядът е отрицателен при върха на сгъвката и положителен по „дъното на долината”.
Подобен електрически заряд може да бъде доста полезен, казват Ким и колегите му. Така например, може да се използва за насочване на самосглобяеми конструкции в нано-мащаб, пише GreenTech.bg.
При предишни експерименти учените изследвали графенови листове и „полутопчета”, състоящи се от по 60 въглеродни атома. Учените хвърляли „полутопчетата” върху различни видове графенови листове и наблюдавали как се разпръснат атомите. В повечето случаи „полутопчететата” се разпростирали на случаен принцип върху графеновия слой подобно на стъклени топчета, хвърлени на пода. При един конкретен тип многослоен графен обаче, известен като HOPG, „полутопчетатаѝ” се подредили спотанно в прави вериги, простиращи се по повърхността.
Квантови флексоелектрични бръчки, създадени при компресиране на графен (източник: Лаборатория Ким / Университет „Браун”)
Ким смята, че „флексоелектричните бръчки” могат да обяснят това странно поведение. „Ние знаем, че HOPG по естествен начин образува гънки, когато се създава”, казва ученият. „Това, което смятаме, че се случва, е, че линейният заряд, създаден от бръчките, кара полутопчетата, които имат електрически дипол, да се подредят”.
По същия начин, при експерименти с биомолекули като ДНК и РНК върху графен са наблюдавани странни типове поведение. Молекулите понякога се подреждат по особени начини, а не на случаен принцип. Ким и колегите му са на мнение, че тези странни поведенчески модели също могат да бъдат обяснени с флексоелектричните бръчки”. Повечето биомолекули имат присъщ отрицателен електрически заряд, което ги кара да се нареждат по протежение на позитивно заредените „долини”.
Възможно е да се конструират нарочно назъбени графенови повърхности, за да се използва флексоелектричният ефект, смятат учените. Например, подобна флексоелектрична повърхност може да причинява разтягане на молекулите на ДНК по права линия, което да ги прави по-лесни за формиране на последователност, разказва Ким.
„Сега, когато разбираме защо тези молекули се подреждат по начина, по който го правят, ние можем да помислим как да направим графенови повърхности с дадени бръчки, за да манипулираме молекулите по специфичен начин”, заключава ученият.