Een decennium geleden, wetenschappers merkten iets heel vreemds op toen buckyballs - voetbalvormige koolstofmoleculen - op een bepaald type meerlaags grafeen werden gedumpt, een plat koolstof nanomateriaal. In plaats van willekeurig rond te rollen als knikkers op een hardhouten vloer, de buckyballs verzamelden zich spontaan in kettingen met één bestand die zich over het grafeenoppervlak uitstrekten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Brown University's School of Engineering hebben uitgelegd hoe het fenomeen werkt, en die verklaring zou de weg kunnen banen voor een nieuw type gecontroleerde moleculaire zelfassemblage. In een paper gepubliceerd in Proceedings van de Royal Society A , het Brown-team laat zien dat kleine, elektrisch geladen kreukels in grafeenplaten kunnen interageren met moleculen op het oppervlak, het rangschikken van die moleculen in elektrische velden langs de paden van de kreukels.

"Wat we laten zien is dat kreukels kunnen worden gebruikt om 'moleculaire ritsen' te maken die moleculen in lineaire arrays op een grafeenoppervlak kunnen houden, " zei Kyung-Suk Kim, directeur van het Center for Advanced Materials Research in Brown's Institute for Molecular and Nanoscale Innovation en senior auteur van de studie. "Deze lineaire opstelling is iets dat mensen in de natuurkunde en scheikunde echt willen, omdat het moleculen veel gemakkelijker te manipuleren en bestuderen maakt."

Het nieuwe artikel is een vervolg op eerder onderzoek door Kim's team. In dat eerste blad ze beschreven hoe het zachtjes knijpen van vellen gelaagd grafeen vanaf de zijkant ervoor zorgt dat het op een eigenaardige manier vervormt. In plaats van zacht glooiende rimpels te vormen zoals je zou kunnen vinden in een tapijt dat tegen een muur is gekreukt, het gecomprimeerde grafeen vormt puntige zaagtandplooien over het oppervlak. Zij vormen, Kim's onderzoek toonde aan, omdat de opstelling van elektronen in het grafeenrooster ervoor zorgt dat de kromming van een rimpel zich langs een scherpe lijn lokaliseert. De kreukels zijn ook elektrisch gepolariseerd, met gekreukte pieken met een sterke negatieve lading en dalen met een positieve lading.

Kim en zijn team dachten dat de elektrische ladingen langs de kreukels het vreemde gedrag van de buckyballs zouden kunnen verklaren. deels omdat het type meerlagig grafeen dat in de oorspronkelijke buckyball-experimenten werd gebruikt, HOPG was, een soort grafeen dat van nature kreukels vormt wanneer het wordt geproduceerd. Maar het team moest absoluut aantonen dat de lading die door de kreukels wordt gecreëerd, kan interageren met externe moleculen op het oppervlak van het grafeen. Dat is wat de onderzoekers in dit nieuwe artikel konden doen.

Hun analyse met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie, een kwantummechanisch model van hoe elektronen in een materiaal zijn gerangschikt, voorspelde dat positief geladen kreukeldalen een elektrische polarisatie zouden creëren in de anders elektrisch neutrale buckyballs. Die polarisatie zou ervoor moeten zorgen dat buckyballs op één lijn komen te staan, elk in dezelfde oriëntatie ten opzichte van elkaar en op een onderlinge afstand van ongeveer twee nanometer.

Die theoretische voorspellingen komen nauw overeen met de resultaten van de oorspronkelijke buckyball-experimenten en herhaalde experimenten die onlangs door Kim en zijn team zijn gerapporteerd. De nauwe overeenstemming tussen theorie en experiment helpt bevestigen dat grafeenrimpels inderdaad kunnen worden gebruikt om moleculaire zelfassemblage te sturen, niet alleen met buckyballs, maar mogelijk ook met andere moleculen.

Kim zegt dat deze moleculaire ritssluiting vele potentiële toepassingen kan hebben, vooral bij het bestuderen van biomoleculen zoals DNA en RNA. Bijvoorbeeld, als DNA-moleculen lineair kunnen worden uitgerekt, het kan sneller en gemakkelijker worden gesequenced. Kim en zijn team zijn momenteel aan het kijken of dit mogelijk is.

"Er is hier veel potentieel om te profiteren van kreuken en de interessante elektrische eigenschappen die ze produceren, ' zei Kim.