Böjande grafen kan vara det mest grundläggande sättet att kontrollera dess elektriska egenskaper, enligt beräkningar av teoretiska fysiker vid Rice University och i Ryssland.
Boris Yakobsons rislabb i samarbete med forskare i Moskva fann att effekten är uttalad och förutsägbar i nanokoner och bör gälla lika för andra former av grafen.
Forskarna upptäckte att det kan vara möjligt att komma åt vad de kallar en elektronisk flexoelektrisk effekt där de elektroniska egenskaperna hos ett ark grafen kan manipuleras genom att helt enkelt vrida det på ett visst sätt.
Arbetet kommer att vara av intresse för dem som överväger grafenelement i flexibla pekskärmar eller minnen som lagrar bitar genom att kontrollera elektriska dipolmoment för kolatomer, sa forskarna.
Perfekt grafen – ett atomtjockt ark av kol – är en ledare, eftersom dess atomers elektriska laddningar balanserar varandra över planet. Men krökning i grafen komprimerar elektronmolnen i bindningarna på den konkava sidan och sträcker ut dem på den konvexa sidan, sålunda ändrar deras elektriska dipolmoment, egenskapen som styr hur polariserade atomer interagerar med yttre elektriska fält.
Forskarna som publicerade sina resultat denna månad i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters upptäckte att de kunde beräkna den flexoelektriska effekten av grafen rullad till en kon av vilken storlek och längd som helst.
Forskarna använde densitetsfunktionsteori för att beräkna dipolmoment för enskilda atomer i ett grafengitter och sedan räkna ut deras kumulativa effekt. De föreslog att deras teknik kunde användas för att beräkna effekten för grafen i andra mer komplexa former, som skrynkliga lakan eller förvrängda fullerener, flera av dem analyserade de också.
"Medan dipolmomentet är noll för platt grafen eller cylindriska nanorör, däremellan finns en familj av kottar, faktiskt produceras i laboratorier, vars dipolmoment är signifikanta och skalas linjärt med konens längd, " sa Yakobson.
Kolnanorör, sömlösa cylindrar av grafen, visa inte ett totalt dipolmoment, han sa. Även om det inte är noll, de vektorinducerade momenten tar ut varandra.
Det är inte så med en kon, där balansen mellan positiva och negativa laddningar skiljer sig från en atom till en annan, på grund av lite olika spänningar på bindningarna då diametern ändras. Forskarna noterade att atomer längs kanten också bidrar elektriskt, men genom att analysera två koner som var dockade kant i kant tillät dem att ta bort, förenkla beräkningarna.
Yakobson ser potentiella användningsområden för den nyfunna egenskapen. "En möjligen långtgående egenskap är spänningsfallet över en krökt plåt, ", sade han. "Det kan tillåta en att lokalt variera arbetsfunktionen och att konstruera bandstrukturstaplingen i dubbelskikt eller flera lager genom att de böjs. Det kan också tillåta skapandet av skiljeväggar och kaviteter med varierande elektrokemisk potential, mer "sur" eller "enkel", ' beroende på krökningen i 3D-kolarkitekturen."
