För ett decennium sedan, forskare märkte att något mycket konstigt hände när buckyballs - fotbollsformade kolmolekyler - dumpades på en viss typ av flerskiktsgrafen, ett platt kolnanomaterial. Istället för att rulla runt slumpmässigt som kulor på ett trägolv, buckyballs spontant samman till enfilkedjor som sträckte sig över grafenytan.

Nu, forskare från Brown University's School of Engineering har förklarat hur fenomenet fungerar, och den förklaringen kan bana väg för en ny typ av kontrollerad molekylär självmontering. I en tidning publicerad i Proceedings of the Royal Society A , Brown-teamet visar att lilla, elektriskt laddade veck i grafenark kan interagera med molekyler på ytan, ordna dessa molekyler i elektriska fält längs veckens banor.

"Vad vi visar är att rynkor kan användas för att skapa "molekylära blixtlås" som kan hålla molekyler på en grafenyta i linjära arrayer, sa Kyung-Suk Kim, chef för Center for Advanced Materials Research i Browns Institute for Molecular and Nanoscale Innovation och studiens seniorförfattare. "Det här linjära arrangemanget är något som människor inom fysik och kemi verkligen vill ha eftersom det gör molekyler mycket lättare att manipulera och studera."

Det nya dokumentet är en uppföljning av tidigare forskning från Kims team. I den första tidningen, de beskrev hur försiktigt klämning av ark av lager grafen från sidan får det att deformeras på ett märkligt sätt. Istället för att bilda svagt sluttande rynkor som du kan hitta i en matta som har klämts mot en vägg, den komprimerade grafenen bildar spetsiga sågtandsveck över ytan. De bildar, Kims forskning visade, eftersom arrangemanget av elektroner i grafengittret gör att krökningen av en rynka lokaliseras längs en skarp linje. Skrynkorna är också elektriskt polariserade, med skrynkliga toppar som bär en stark negativ laddning och dalar som bär en positiv laddning.

Kim och hans team trodde att de elektriska laddningarna längs vecken kunde förklara buckybollarnas konstiga beteende, delvis för att typen av flerskiktsgrafen som användes i de ursprungliga buckyball-experimenten var HOPG, en typ av grafen som naturligt bildar veck när den produceras. Men teamet behövde definitivt visa att laddningen som skapas av vecken kunde interagera med externa molekyler på grafenens yta. Det är vad forskarna kunde göra i denna nya uppsats.

Deras analys med hjälp av densitetsfunktionsteori, en kvantmekanisk modell av hur elektroner är ordnade i ett material, förutspådde att positivt laddade krinkeldalar skulle skapa en elektrisk polarisering i de annars elektriskt neutrala buckybollarna. Den polariseringen borde få buckyballs att rada sig, var och en i samma orientering i förhållande till varandra och placerade runt två nanometer från varandra.

Dessa teoretiska förutsägelser matchar noggrant resultaten från de ursprungliga buckyball-experimenten såväl som upprepade experiment som nyligen rapporterats av Kim och hans team. Den nära överensstämmelsen mellan teori och experiment hjälper till att bekräfta att grafenkrynkor verkligen kan användas för att styra molekylär självmontering, inte bara med buckyballs utan potentiellt med andra molekyler också.

Kim säger att denna molekylära blixtlåsförmåga kan ha många potentiella tillämpningar, särskilt i att studera biomolekyler som DNA och RNA. Till exempel, om DNA-molekyler kan sträckas ut linjärt, det skulle kunna sekvenseras snabbare och enklare. Kim och hans team arbetar för närvarande för att se om detta är möjligt.

"Det finns en stor potential här att dra fördel av krinkling och de intressanta elektriska egenskaper de producerar, " sa Kim.