Il y a une décennie, les scientifiques ont remarqué que quelque chose de très étrange se produisait lorsque des buckyballs - des molécules de carbone en forme de ballon de football - étaient déversés sur un certain type de graphène multicouche, un nanomatériau de carbone plat. Plutôt que de rouler au hasard comme des billes sur un plancher de bois franc, les buckyballs se sont spontanément assemblés en chaînes à une seule file qui s'étendaient sur la surface du graphène.

Maintenant, des chercheurs de la Brown University School of Engineering ont expliqué comment fonctionne le phénomène, et cette explication pourrait ouvrir la voie à un nouveau type d'auto-assemblage moléculaire contrôlé. Dans un article publié en Actes de la Royal Society A , l'équipe Brown montre que minuscule, les plis chargés électriquement dans les feuilles de graphène peuvent interagir avec les molécules à la surface, organiser ces molécules dans des champs électriques le long des chemins des plis.

"Ce que nous montrons, c'est que les plis peuvent être utilisés pour créer des" fermetures éclair moléculaires " qui peuvent retenir des molécules sur une surface de graphène en réseaux linéaires, " dit Kyung-Suk Kim, directeur du Center for Advanced Materials Research du Brown's Institute for Molecular and Nanoscale Innovation et auteur principal de l'étude. "Cet arrangement linéaire est quelque chose que les gens en physique et en chimie veulent vraiment parce qu'il rend les molécules beaucoup plus faciles à manipuler et à étudier."

Le nouvel article fait suite à des recherches antérieures menées par l'équipe de Kim. Dans ce premier article, ils ont décrit comment le fait de presser doucement des feuilles de graphène en couches sur le côté provoque sa déformation d'une manière particulière. Plutôt que de former des plis en pente douce comme vous pourriez le trouver dans un tapis qui a été froissé contre un mur, le graphène comprimé forme des plis pointus en dents de scie sur la surface. Elles forment, Les recherches de Kim ont montré, parce que la disposition des électrons dans le réseau de graphène provoque la localisation de la courbure d'une ride le long d'une ligne nette. Les plis sont également polarisés électriquement, avec des pics ondulés porteurs d'une forte charge négative et des creux porteurs d'une charge positive.

Kim et son équipe pensaient que les charges électriques le long des plis pourraient expliquer le comportement étrange des buckyballs, en partie parce que le type de graphène multicouche utilisé dans les expériences originales de buckyball était HOPG, un type de graphène qui forme naturellement des plis lorsqu'il est produit. Mais l'équipe devait montrer avec certitude que la charge créée par les plis pouvait interagir avec des molécules externes à la surface du graphène. C'est ce que les chercheurs ont pu faire dans ce nouvel article.

Leur analyse à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, un modèle de mécanique quantique de la façon dont les électrons sont disposés dans un matériau, ont prédit que les vallées ondulées chargées positivement devraient créer une polarisation électrique dans les buckyballs autrement électriquement neutres. Cette polarisation devrait amener les buckyballs à s'aligner, chacun dans la même orientation l'un par rapport à l'autre et espacés d'environ deux nanomètres.

Ces prédictions théoriques correspondent étroitement aux résultats des expériences originales de buckyball ainsi qu'aux expériences répétées récemment rapportées par Kim et son équipe. L'accord étroit entre la théorie et l'expérience permet de confirmer que les plis du graphène peuvent en effet être utilisés pour diriger l'auto-assemblage moléculaire, non seulement avec des buckyballs, mais potentiellement avec d'autres molécules.

Kim dit que cette capacité de fermeture à glissière moléculaire pourrait avoir de nombreuses applications potentielles, en particulier dans l'étude des biomolécules comme l'ADN et l'ARN. Par exemple, si les molécules d'ADN peuvent être étirées linéairement, il pourrait être séquencé plus rapidement et plus facilement. Kim et son équipe travaillent actuellement pour voir si cela est possible.

"Il y a beaucoup de potentiel ici pour tirer parti du froissement et des propriétés électriques intéressantes qu'ils produisent, ", a déclaré Kim.