Investigadores de la Universidad de Brown han visto que el grafeno forma arrugas cargadas eléctricamente, otra propiedad peculiar para guiar autoensamblaje a nanoescala o analizar ADN u otras moléculas.

Un estudio publicado en Proceedings of the Royal Society A demuestra matemáticamente lo que sucede con las pilas de láminas de grafeno bajo ligera compresión lateral: un suave apretón de sus costados. En lugar de formar urdimbres suaves y suaves y arrugas en toda la superficie, los investigadores muestran que el grafeno estratificado forma pliegues agudos de dientes de sierra que resultan tener interesantes propiedades eléctricas.

Llamamos a estas arrugas flexoeléctricas cuánticas“, dijo Kyung-Suk Kim, profesora de la Escuela de Ingeniería de Brown y autora principal del estudio. “Lo interesante de ellas es que cada arruga produce una línea notablemente delgada de carga eléctrica intensa en toda la superficie, que creemos que podría ser útil en una variedad de aplicaciones“.

La carga, dice Kim, se genera por el comportamiento cuántico de los electrones que rodean los átomos de carbono en la red cristalina de grafeno. Cuando la capa atómica se dobla, la nube de electrones se concentra por encima o por debajo del plano de la capa. Esa concentración de electrones hace que la curva se localice en una punta afilada, y produce una línea de carga eléctrica de aproximadamente un nanómetro de ancho y que corre a lo largo de la arruga. La carga es negativa en la punta de una cresta levantada y positiva a lo largo del fondo de un valle.

Esa carga eléctrica, dicen Kim y sus colegas, podría ser bastante útil. Podría, por ejemplo, usarse para dirigir el autoensamblaje a nanoescala. Las arrugas cargadas atraen partículas con una carga opuesta, lo que hace que se ensamblen a lo largo de crestas o valles arrugados. De hecho, dice Kim, el ensamblaje de partículas a lo largo de las arrugas ya se ha observado en experimentos previos, pero en el momento en que las observaciones carecían de una explicación clara.

Esos experimentos previos involucraban láminas de grafeno y moléculas en forma de pelota de fútbol formadas por 60 átomos de carbono. Los investigadores arrojaron bolas en diferentes tipos de láminas de grafeno y observaron cómo se dispersaron. En la mayoría de los casos, se extienden aleatoriamente sobre una capa de grafeno, como canicas que caen sobre el suelo liso de madera. Pero en un tipo particular de grafeno multicapa conocido como HOPG, las bolas se ensamblaron espontáneamente en cadenas rectas que se extendieron por la superficie. Kim piensa que las arrugas flexoeléctricas pueden explicar ese comportamiento extraño.

“Sabemos que HOPG naturalmente forma arrugas cuando se produce”, dijo Kim. “Lo que creemos que está sucediendo es que la carga de línea creada por las arrugas hace que las bolas, que tienen un dipolo eléctrico cerca de la carga de la línea, se alineen”.

De forma similar, se han observado comportamientos extraños en experimentos con biomoléculas como ADN y ARN en grafeno. Las moléculas a veces se organizan en patrones peculiares en lugar de caer al azar como cabría esperar. Kim y sus colegas creen que estos efectos también pueden remontarse a las arrugas. La mayoría de las biomoléculas tienen una carga eléctrica negativa inherente, lo que hace que se alineen a lo largo de los valles de arruga cargados positivamente.

Podría ser posible diseñar superficies arrugadas para aprovechar al máximo el efecto flexoeléctrico. Por ejemplo, Kim visualiza una superficie arrugada que hace que las moléculas de ADN se estiren en líneas rectas haciéndolas más fáciles de secuenciar.

“Ahora que entendemos por qué estas moléculas se alinean como lo hacen, podemos pensar en hacer superficies de grafeno con patrones de arrugas particulares para manipular moléculas de maneras específicas”, dijo Kim.

El laboratorio de Kim en Brown ha estado trabajando durante años en arrugas, arrugas, pliegues y pliegues a nanoescala. Han demostrado que la formación de estas estructuras se puede controlar cuidadosamente, lo que refuerza la posibilidad de que el grafeno arrugado se adapte a una variedad de aplicaciones.

Vira Eur