Des chercheurs de l'Université Brown ont découvert une autre propriété particulière et potentiellement utile du graphène, feuilles de carbone d'une épaisseur d'un atome, qui pourraient être utiles pour guider l'auto-assemblage à l'échelle nanométrique ou pour analyser l'ADN ou d'autres biomolécules.

Une étude publiée dans Actes de la Royal Society A démontre mathématiquement ce qui arrive aux piles de feuilles de graphène sous une légère compression latérale - une légère pression de leurs côtés. Plutôt que de former lisse, des déformations et des plis en pente douce sur toute la surface, les chercheurs montrent que le graphène en couches forme des plis en dents de scie qui s'avèrent avoir des propriétés électriques intéressantes.

"Nous appelons ces plis flexoélectriques quantiques, " dit Kyung-Suk Kim, professeur à la Brown's School of Engineering et auteur principal de l'article. "Ce qui est intéressant à leur sujet, c'est que chaque pli produit une ligne remarquablement mince de charge électrique intense à travers la surface, qui, selon nous, pourrait être utile dans une variété d'applications."

La charge, Kim dit, est généré par le comportement quantique des électrons entourant les atomes de carbone dans le réseau de graphène. Lorsque la couche atomique est pliée, le nuage d'électrons se concentre soit au-dessus ou au-dessous du plan de la couche. Cette concentration d'électrons fait que la courbure se localise en un point pointu, et produit une ligne de charge électrique d'environ un nanomètre de large et s'étendant sur toute la longueur du pli. La charge est négative à la pointe d'une crête surélevée et positive le long du fond d'une vallée.

Cette charge électrique, Kim et ses collègues disent, pourrait être bien utile. Ça pourrait, par exemple, être utilisé pour diriger l'auto-assemblage à l'échelle nanométrique. Les plis chargés attirent les particules de charge opposée, les obligeant à s'assembler le long de crêtes ou de vallées ondulées. En réalité, Kim dit, l'assemblage de particules le long des plis a déjà été observé dans des expériences précédentes, mais à l'époque les observations manquaient d'explication claire.

Ces expériences précédentes impliquaient des feuilles de graphène et des buckyballs, des molécules en forme de ballon de football formées de 60 atomes de carbone. Les chercheurs ont déversé des buckyballs sur différents types de feuilles de graphène et observé leur dispersion. Dans la plupart des cas, les buckyballs s'étalaient au hasard sur une couche de graphène comme des billes tombées sur un sol en bois lisse. Mais sur un type particulier de graphène multicouche connu sous le nom de HOPG, les boules s'assemblaient spontanément en chaînes droites s'étendant sur toute la surface. Kim pense que les plis flexoélectriques peuvent expliquer ce comportement étrange.

"Nous savons que HOPG forme naturellement des plis lorsqu'il est produit, " Kim a dit. " Ce que nous pensons qui se passe, c'est que la charge de ligne créée par les plis provoque les buckyballs, qui ont un dipôle électrique près de la charge de ligne, pour s'aligner."

De la même manière, des comportements étranges ont été observés dans des expériences avec des biomolécules comme l'ADN et l'ARN sur le graphène. Les molécules s'organisent parfois selon des schémas particuliers plutôt que de s'effondrer au hasard comme on pourrait s'y attendre. Kim et ses collègues pensent que ces effets peuvent également être attribués aux plis. La plupart des biomolécules ont une charge électrique négative inhérente, ce qui les amène à s'aligner le long de vallées ondulées chargées positivement.

Il pourrait être possible de concevoir des surfaces plissées pour tirer pleinement parti de l'effet flexoélectrique. Par exemple, Kim envisage une surface froissée qui fait que les molécules d'ADN s'étirent en lignes droites, ce qui les rend plus faciles à séquencer.

"Maintenant que nous comprenons pourquoi ces molécules s'alignent comme elles le font, nous pouvons penser à créer des surfaces de graphène avec des motifs de plis particuliers pour manipuler les molécules de manière spécifique, ", a déclaré Kim.

Le laboratoire de Kim à Brown travaille depuis des années sur les rides à l'échelle nanométrique, ondulations, plis et plis. Ils ont montré que la formation de ces structures peut être soigneusement contrôlée, renforçant la possibilité de graphène froissé adapté à une variété d'applications.