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研究表明石墨烯形成带电皱褶

在英国皇家学会会刊 A上发表的一项研究数学表明,在轻微的侧向压缩下轻微挤压侧面的石墨烯片会发生什么情况。研究人员表示,层状石墨烯形成尖锐的锯齿状扭结,结果具有令人感兴趣的电性能,而不是在整个表面上形成光滑,平缓倾斜的经线和皱纹。

“我们称之为量子挠曲电折痕,”布朗工程学院教授,该论文的资深作者Kyung-Suk Kim说。“有趣的是,每条皱纹都会在表面产生一个非常细的强电荷,我们认为这种电荷在各种应用中都可能有用。”

Kim说,这种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,电子云会变得集中在层平面之上或之下。该电子浓度导致弯曲部位局部化为尖锐点,并产生大约1纳米宽的电荷线并且运行皱纹的长度。在升高的山脊顶端收费为负值,沿山谷底部收取负值。

Kim和他的同事们说,这种电费可能非常有用。例如,它可以用于指导纳米级自组装。带电的皱纹吸引带有相反电荷的粒子,使它们沿着皱纹的山脊或山谷组装。事实上,Kim说,在以前的实验中已经观察到沿着皱纹的颗粒组装,但是当时观察结果缺乏明确的解释。

研究表明石墨烯形成带电皱褶

那些以前的实验涉及石墨烯片和巴基球 – 由60个碳原子形成的足球形分子。研究人员将巴克球扔到不同种类的石墨烯片上,观察它们是如何分散的。在大多数情况下,巴基球随机铺在一层石墨烯上,像弹珠掉落在光滑的木地板上。但是在一种称为HOPG的特殊类型的多层石墨烯上,这些球会自发地组装成伸展在表面上的直链。金认为弯曲电皱纹可以解释这种奇怪的行为。

“我们知道HOPG在生产时自然会形成皱纹,”Kim说。“我们认为正在发生的事情是,由皱纹产生的线电荷导致巴克球,它们在线电荷附近有一个电偶极子排列起来。”

类似地,在石墨烯上的生物分子如DNA和RNA的实验中已经看到了奇怪的行为。分子有时会将自己排列成独特的模式,而不是像人们所期望的那样随机跳出。Kim和他的同事们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,这导致它们沿着带正电荷的皱谷排列。

设计起皱的表面可以充分利用挠曲电效应。例如,Kim设想一个皱折的表面,可以使DNA分子以直线伸展,使其更容易排列。

“现在我们明白为什么这些分子排列他们所做的事情了,我们可以考虑用特定的皱纹模式制造石墨烯表面,以特定的方式操纵分子,”Kim说。

布朗金的实验室多年来一直致力于纳米皱纹,皱纹,折痕和褶皱。他们已经表明,可以仔细控制这些结构的形成,从而增强为各种应用量身定做的皱纹石墨烯的可能性。

来源:材料+

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