石墨烯在压缩时形成带电荷的皱纹

布朗大学的研究人员发现了石墨烯的另一种特殊和潜在有用的特性，可用于指导纳米级自组装或分析DNA或其他生物分子。

他们的新研究在数学上证明了在轻微侧向压缩下堆叠的石墨烯片会发生什么 - 从侧面轻轻挤压。研究人员发现，层状石墨烯形成尖锐的锯齿状脊，而不是在表面形成平滑，轻微倾斜的经纱和皱纹，这些锯状脊显然具有有趣的电性能。

“我们称之为量子弹性皱纹，”布朗工程学院教授，该论文的资深作者Kyung-Suk Kim说。“它们的有趣之处在于每个皱纹在表面产生非常细的强电荷线，我们认为它可以用于各种应用。”

Kim说，电荷是由石墨烯晶格中碳原子周围的电子的量子行为产生的。当原子层弯曲时，电子云在层平面的上方或下方变得集中。电子浓度导致弯曲定位到尖点，并产生大约1纳米宽的电荷线并且沿着皱折的长度运行。在一个隆起的山脊的尖端上是负的，在山谷的底部是正的。

该团队表示，这项电费可能非常有用。例如，它可以用于指导纳米级自组装。带电的脊吸引具有相反电荷的粒子，使它们沿着皱纹脊或谷组装。事实上，金说，在先前的实验中已经观察到沿着皱纹的粒子组装，但当时的观察结果缺乏明确的解释。

那些先前的实验涉及由60个碳原子形成的石墨烯片和巴基球 - 球形分子。研究人员将布基球倾倒在不同种类的石墨烯片上，并观察它们是如何分散的。在大多数情况下，布基球随机散布在一层石墨烯上，就像在光滑的木地板上掉落的大理石一样。但是在一种称为HOPG的特定类型的多层石墨烯上，球会自发地组装成在表面上延伸的直链。Kim认为，flexoelectric crinkles可以解释这种奇怪的行为。

“我们知道HOPG在生产时会自然形成皱纹，”Kim说。“我们认为正在发生的事情是，皱纹产生的线路电荷导致布基球在线路附近产生电偶极子排列。”

同样，在石墨烯上生物分子如DNA和RNA的实验中也发现了奇怪的行为。分子有时会以奇怪的模式排列自己，而不是像人们预期的那样随意地蹦出来。Kim及其同事认为这些影响也可以追溯到皱纹。大多数生物分子具有固有的负电荷，这使得它们沿带正电的皱纹谷排列。

有可能设计皱折表面以充分利用挠曲电效应。例如，Kim看到一个皱折的表面，导致DNA分子以直线伸展，使它们更容易排序。“现在我们理解为什么这些分子按照它们的方式排列，我们可以考虑用特定的皱纹模式制作石墨烯表面来以特定的方式操纵分子，”他说。