La investigación muestra que las arrugas con carga eléctrica en el grafeno en capas pueden ser útiles en el autoensamblaje dirigido de moléculas.
Hace una década, los científicos notaron que sucedía algo muy extraño cuando arrojaban buckyballs (moléculas de carbono con forma de balón de fútbol) a un cierto tipo de grafeno multicapa, un nanomaterial plano de carbono. En lugar de rodar aleatoriamente como canicas en un piso de madera dura, las bolas de bucky se reunieron espontáneamente en cadenas de una sola fila que se extendían sobre la superficie de grafeno.
¿Cómo funciona?
Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown explican cómo funciona el fenómeno, y esa explicación podría allanar el camino para un nuevo tipo de autoensamblaje molecular controlado. En las Actas de la Royal Society A , el equipo muestra que pequeñas arrugas con carga eléctrica en las hojas de grafeno pueden interactuar con las moléculas en la superficie, colocando esas moléculas en campos eléctricos a lo largo de las rutas de las arrugas.
«Lo que demostramos es que las arrugas se pueden usar para crear ‘cremalleras moleculares’ que pueden mantener las moléculas en una superficie de grafeno en matrices lineales», dice Kyung-Suk Kim, director del Centro de Investigación de Materiales Avanzados en el Instituto de Brown para Molecular y Nanoescala La innovación y autor principal del estudio. «Esta disposición lineal es algo que la gente de física y química realmente quiere porque hace que las moléculas sean mucho más fáciles de manipular y estudiar«.
El nuevo documento es un seguimiento de una investigación anterior realizada por el equipo de Kim. En ese primer artículo, describieron cómo al exprimir suavemente las hojas de grafeno en capas desde el lado se deforman de una manera peculiar. En lugar de formar arrugas suavemente inclinadas como las que puede encontrar en una alfombra que ha sido arrugada contra una pared, el grafeno comprimido forma arrugas puntiagudas en la superficie.
Se forman, muestra la investigación de Kim, porque la disposición de los electrones en la red de grafeno hace que la curvatura de una arruga se localice a lo largo de una línea aguda. Las arrugas también están polarizadas eléctricamente, con picos arrugados que llevan una carga negativa fuerte y valles que llevan una carga positiva.
Modelo mecánico cuántico
Kim y su equipo pensaron que las cargas eléctricas a lo largo de las arrugas podrían explicar el extraño comportamiento de las buckyballs, en parte porque el tipo de grafeno multicapa utilizado en los experimentos originales de buckyball fue HOPG, un tipo de grafeno que naturalmente forma arrugas cuando se produce. Pero el equipo necesitaba mostrar definitivamente que la carga que crearon las arrugas podría interactuar con moléculas externas en la superficie del grafeno. Eso es lo que hacen los investigadores en este nuevo artículo.
Su análisis utilizando la teoría de la densidad funcional, un modelo mecánico cuántico de cómo se organizan los electrones en un material, predijo que los valles crujientes cargados positivamente deberían crear una polarización eléctrica en las buckybols, que de otro modo serían eléctricamente neutrales. Esa polarización debería hacer que los buckyballs se alineen, cada uno en la misma orientación entre sí y espaciados alrededor de dos nanómetros de distancia.
Esas predicciones teóricas coinciden estrechamente con los resultados de los experimentos originales de buckyball, así como los experimentos repetidos que informan Kim y su equipo. La estrecha concordancia entre la teoría y el experimento ayuda a confirmar que las arrugas de grafeno pueden usarse para dirigir el autoensamblaje molecular, no solo con buckyballs sino también potencialmente con otras moléculas.
Kim dice que esta capacidad de cierre molecular podría tener muchas aplicaciones potenciales, particularmente en el estudio de biomoléculas como el ADN y el ARN. Por ejemplo, si las moléculas de ADN se pueden estirar linealmente, el ADN podría secuenciarse más rápida y fácilmente. Kim y su equipo están trabajando actualmente para ver si esto es posible.
«Hay mucho potencial aquí para aprovechar las arrugas y las interesantes propiedades eléctricas que producen«, dice Kim.
La Fundación Nacional de Ciencias apoyó el trabajo.
Fuente: Universidad de Brown
