Przedstawiciele Rice University przyjrzeli się niezwykle małym zmarszczkom powstającym w grafenie. Materiał ten składa się z pojedynczej warstwy atomów węgla, dlatego nawet niewielkie odkształcenia jego struktury mogą mieć konsekwencje na poziomie elektronów. Naukowcy skupili się na zmarszczkach, których bardzo ostre zagięcia zajmowały przestrzeń mniejszą niż miliardowa część metra.
Czytaj też: Ten materiał ma właściwości, jakich dotychczas nie udało się pogodzić. Będziemy mieli z niego masę pożytku
Właśnie w takich miejscach występowało zaskakujące zjawisko. Silne zakrzywienie grafenu powodowało przesunięcie elektronów w kierunku jednej strony materiału. W rezultacie po obu stronach zagięcia powstawała separacja ładunków elektrycznych, przypominająca działanie niezwykle małej baterii. Zjawisko to jest przykładem efektu fleksоelektrycznego. W uproszczeniu oznacza to, że nierównomierne odkształcenie materiału może prowadzić do powstania polaryzacji elektrycznej. Sam efekt nie jest nowy, jednak w przypadku grafenu naukowcy zaobserwowali go w wyjątkowo silnej postaci.
Badacze wykorzystali specjalistyczne sondy mikroskopowe, aby dokładnie zmierzyć kształt zmarszczek, lokalną energię elektryczną oraz przepływ prądu. Posłużyli się również spektroskopią Ramana, która pozwala analizować sposób rozciągania i ściskania atomów, czy symulacjami komputerowymi przewidującymi zachowanie elektronów.
Porównanie mocno zakrzywionych fragmentów grafenu z obszarami płaskimi pozwoliło naukowcom oddzielić wpływ samego zakrzywienia od innych czynników. Wyniki wskazały, iż kluczowe znaczenie ma nie tyle wysokość zmarszczki, co ostrość jej zagięcia. To właśnie ten rezultat okazał się najbardziej zaskakujący. Naukowcy oszacowali, że polaryzacja powstająca w badanych strukturach może być od 100 tysięcy do nawet 10 milionów razy silniejsza niż w znacznie większych układach wykazujących efekt fleksоelektryczny.
Co ciekawe, pomysł stojący za tym odkryciem ma już kilkanaście lat. W 2008 roku fizyk teoretyczny Vincent Meunier przewidział, iż bardzo mocne zagięcie grafenu może doprowadzić do przeorganizowania elektronów i pojawienia się reakcji elektrycznej. Przez lata bezpośrednie sprawdzenie tej hipotezy było jednak niezwykle trudne, ponieważ zjawisko zachodzi w strukturach mających zaledwie kilka atomów szerokości.
Czytaj też: Grafen z blendera i starej gazety. Ta prosta metoda naprawdę działa
Przełom nastąpił, gdy uczeni ponownie przeanalizowali wcześniej zebrane dane. W pomiarach dotyczących najbardziej ostrych zmarszczek grafenu zauważyli nietypowe sygnały elektryczne. Zestawienie wyników eksperymentalnych z obliczeniami na poziomie atomowym pozwoliło powiązać obserwowane zjawisko z wcześniejszą teorią. Poczynione postępy powinny być wyjątkowo ważne dla przyszłości elektroniki. Obecnie właściwości materiałów często zmienia się poprzez dodawanie innych substancji czy tworzenie złożonych struktur. Nowe wyniki sugerują, że w przypadku materiałów o grubości pojedynczej warstwy atomów można osiągnąć podobny efekt, manipulując przede wszystkim ich kształtem.
W przyszłości kontrolowanie takich nanometrowych, a nawet subnanometrowych zagięć powinno znaleźć zastosowanie między innymi w produkcji niezwykle cienkich urządzeń elektronicznych bądź sensorów o wyższej czułości. Zmarszczki, które do tej pory mogły być traktowane jako niedoskonałości materiału, mogą więc stać się elementami celowo wykorzystywanymi do sterowania jego właściwościami.
Źródło: Advanced Materials
