石墨烯皱纹可用作“分子拉链”

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石墨烯皱纹可用作“分子拉链”

十年前,科学家们注意到当布奇球(足球球状的碳分子)被倾倒在某种类型的多层石墨烯(一种扁平的碳纳米材料)上时,会发生非常奇怪的事情。布基球不是自发地像在硬木地板上的大理石那样随意地滚动,而是自发地组装成单文件链,这些文件链沿石墨烯表面延伸。

现在,来自布朗大学工程学院的研究人员已经解释了这种现象是如何发生的,并且这种解释可以为新型的受控分子自组装铺平道路。在《英国皇家学会会刊》上发表的一篇论文中,布朗团队表明,石墨烯片中微小的带电皱纹可以与表面上的分子相互作用,将这些分子沿着皱纹的路径排列在电场中。

布朗分子与纳米尺度研究所高级材料研究中心主任金庆淑说:“我们所展示的是,皱纹可用于制造能够将分子固定在线性阵列上的石墨烯表面的'分子拉链'。”创新与研究的资深作者。“这种线性排列是物理学和化学界人士真正想要的,因为它使分子更易于操作和研究。”

这份新论文是金(Kim)团队先前研究的后续。在第一篇论文中,他们描述了如何从侧面轻轻挤压分层的石墨烯片,使其变形。压缩的石墨烯并没有像在壁上皱缩的地毯中那样形成平缓倾斜的皱纹,而是在整个表面上形成了尖锐的锯齿状皱纹。金的研究表明,它们形成是因为石墨烯晶格中电子的排列导致皱纹的曲率沿着一条锐线定位。皱纹也被电极化,皱纹的峰带有强的负电荷,而谷的带有正电荷。

Kim和他的团队认为,皱纹上的电荷可能解释了布基球的奇怪行为,部分原因是最初的布基球实验中使用的多层石墨烯类型为HOPG,这是一种石墨烯,在生产时会自然形成皱纹。但是研究小组需要明确表明,皱纹产生的电荷可以与石墨烯表面上的外部分子相互作用。这就是研究人员在这篇新论文中能够做到的。

他们使用密度泛函理论(一种关于电子如何在材料中排列的量子力学模型)进行的分析预测,带正电的皱纹谷应在否则为电中性的布基球中产生电极化。这种极化会导致布基球排成一列,每个布基球彼此相对的方向相同,并且彼此间隔约2纳米。

这些理论预测与原始布基球实验的结果以及Kim和他的团队最新报道的重复实验的结果非常接近。理论与实验之间的密切一致性有助于确认石墨烯皱纹确实可以用于指导分子自组装,不仅与布基球一样,而且还可能与其他分子一起。

金说,这种分子拉链能力可能具有许多潜在的应用,特别是在研究诸如DNA和RNA的生物分子时。例如,如果DNA分子可以线性延伸,则可以更快速,更轻松地进行测序。Kim和他的团队目前正在研究是否可行。

金说:“利用皱纹及其产生的有趣的电性能,这里有很多潜力。”


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