محققان دانشگاه رایس کشف کرده‌اند که چین و چروک‌های بسیار کوچک در گرافن می‌توانند نحوه رفتار الکتریکی این ماده را تغییر دهند. نتایج شواهد تجربی برای فلکسو الکتریسیته ارائه می‌کنند، اثری که در آن خمش ناهموار باعث ایجاد بار الکتریکی در ماده می‌شود. یافته ها در منتشر شده است مواد پیشرفته.
این کار به یک راه جدید احتمالی برای کنترل الکتریسیته در موادی با ضخامت چند اتم اشاره دارد. به جای تغییر یک ماده با افزودن مواد شیمیایی یا ترکیب آن با چیز دیگری، دانشمندان ممکن است بتوانند خواص الکتریکی آن را صرفاً با تغییر شکل آن تنظیم کنند. در آینده، این استراتژی می تواند به حسگرهای حساس تر و دستگاه های الکترونیکی بسیار نازک کمک کند.
Pulikel Ajayan، استاد مهندسی بنجامین ام و مری گرین‌وود اندرسون و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «کار ما نشان می‌دهد که حتی یک چین و چروک ساده می‌تواند به یک ویژگی الکترونیکی فوق‌العاده تبدیل شود که در مقیاس اتمی مشاهده شود. با نشان دادن اینکه خود هندسه می‌تواند رفتار الکتریکی گرافن را تغییر دهد، راه جدیدی را برای طراحی موادی باز می‌کنیم که خواص آنها را می‌توان با ساختار به جای شیمی کنترل کرد.»
کاوش گرافن در مقیاس اتمی
گرافن از یک لایه اتم کربن تشکیل شده است. برای این مطالعه، محققان بر روی چین و چروک هایی که به طور طبیعی در مواد ایجاد می شوند، تمرکز کردند. برخی از پیچ ها در مناطق کوچکتر از یک میلیاردم متر فشرده شدند. در این مقیاس، انحنای شدید می تواند باعث شود که الکترون ها کمی به یک سمت گرافن جابجا شوند.
Satvik Ajay Iyengar، محقق سابق پسا دکتری رایس و نویسنده اصلی این مطالعه، می گوید: «تصور کنید که یک خط کش انعطاف پذیر را خم کنید، به جز اینکه خمش در فضایی کمتر از یک میلیاردم متر فشرده شده است. در این مقیاس، الکترون‌های گرافن اندکی به یک طرف جابه‌جا می‌شوند و دو طرف الکتریکی مخالف را مانند انتهای یک باتری کوچک ایجاد می‌کنند.
برای مطالعه این اثر، تیم از کاوشگرهای میکروسکوپی تخصصی برای ترسیم شکل چین و چروک ها و اندازه گیری انرژی و جریان الکتریکی محلی استفاده کرد. محققان همچنین از طیف‌سنجی رامان استفاده کردند، روشی مبتنی بر لیزر که نشان می‌دهد چگونه اتم‌ها کشش یا فشرده می‌شوند. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای به پیش‌بینی چگونگی تأثیر خمش بر حرکت الکترون کمک کردند.
با مقایسه چین و چروک های بسیار منحنی با نواحی مجاور گرافن مسطح، محققان توانستند اثرات الکتریکی ناشی از انحنا را از سایر تأثیرات احتمالی جدا کنند.
آینگار گفت: «مطالعات قبلی اغلب چرخش های ملایم تر را بررسی می کردند یا بر فشار خارجی تکیه می کردند، که جداسازی این اثر ظریف را دشوار می کرد. مقایسه چین و چروک‌های منحنی شدید با گرافن مسطح به ما این امکان را داد تا نقش انحنای شدید را به وضوح تشخیص دهیم.
چین و چروک های تیز باعث اثرات الکتریکی قوی می شود
این تیم متوجه شد که چین و چروک های گرافن تا حدودی مانند ردیف هایی از سرعت گیرهای الکتریکی کوچک رفتار می کنند. چین و چروک‌ها در نوک‌های خمیده‌شان، انرژی الکتریکی محلی را تغییر می‌دهند. پس از اعمال حدود یک ولت برق، محققان به طور مداوم یک جریان الکتریکی را تشخیص دادند. اندازه‌گیری‌ها با آنچه که مدل‌های کامپیوتری پیش‌بینی کرده بودند، مطابقت دارد.
قدرت پاسخ بیشتر به تیز بودن هر چین و چروک مرتبط بود تا بلندی آن. محققان تخمین می زنند که قطبش حاصل بین 100000 تا 10 میلیون برابر قوی تر از قطبش دیده شده در سیستم های فلکسو الکتریک بسیار بزرگتر است. پلاریزاسیون به جداسازی بارهای الکتریکی مثبت و منفی در یک ماده اشاره دارد.
آیینگر گفت: “تیز بودن چین و چروک بسیار مهمتر از اندازه کلی آن است.” این به ما می‌گوید که می‌توانیم رفتار الکتریکی را با کنترل دقیق انحنا در مقیاس نانو تنظیم کنیم.»
یک پیش‌بینی در سال 2008 پشتیبانی تجربی دریافت می‌کند
خاستگاه این کشف به سال 2008 برمی‌گردد. در آن زمان، فیزیکدان نظری وینسنت مونیر پیش‌بینی کرد که گرافن با خمش شدید می‌تواند الکترون‌های آن را مرتب کند و یک پاسخ الکتریکی ایجاد کند. Meunier که اکنون رئیس P. B. Breneman و رئیس دپارتمان علوم مهندسی و مکانیک در دانشگاه ایالتی پن است، یکی از نویسندگان مطالعه جدید است.
با این حال، زمانی که این پیش‌بینی برای اولین بار انجام شد، اندازه‌گیری چنین تأثیری روی خم‌هایی با عرض چند اتم بسیار چالش برانگیز بود.
سال‌ها بعد، آینگار دوباره به داده‌هایی که با Manoj Tripathi، نویسنده همکار در دانشگاه ساسکس و اکنون در معادن داکوتای جنوبی جمع‌آوری کرده بود، نگاه کرد. او متوجه سیگنال‌های الکتریکی غیرمعمولی شد که در تیزترین چین و چروک‌های گرافن ظاهر می‌شوند و نتایج را با مونیر، که یکی از مشاوران کار دکترای او بود، در میان گذاشت.
مونیر گفت: «زمانی که ساثویک اندازه‌گیری‌هایی را که او و مانوج جمع‌آوری کرده بودند به من نشان داد، متوجه شدیم که سیگنال‌های غیرمعمول می‌توانند پیوندی تجربی به ایده‌ای که سال‌ها قبل پیش‌بینی کرده بودیم، ارائه دهند. گرد هم آوردن آزمایش ها و محاسبات در مقیاس اتمی به ما اجازه داد تا این ارتباط را مستقیماً آزمایش کنیم.
مسیری جدید برای الکترونیک بسیار نازک
این یافته ها راهی را به محققان می دهد تا بررسی کنند که آیا می توان از کنترل عمدی انحنای چین و چروک های گرافن برای تنظیم خواص الکتریکی این ماده استفاده کرد. اگر این رویکرد عملی شود، در نهایت می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا حسگرهای حساس‌تر و دستگاه‌های الکترونیکی بسیار نازک‌تری تولید کنند.
محققان می توانند به جای اینکه چین و چروک ها را به عنوان نقص صرف کنند، از آنها به عنوان ویژگی های کاربردی استفاده کنند که هندسه آن به تعیین نحوه رفتار الکتریسیته کمک می کند.
آیینگر گفت: «طبیعت از قبل این چین و چروک های کوچک را برای ما ایجاد می کند. درک چگونگی تأثیر آنها بر رفتار الکتریکی ابزار دیگری را در اختیار دانشمندان قرار می دهد تا فناوری های آینده را با استفاده از ساختار خود ماده طراحی کنند.
نویسندگان دیگر عبارتند از جیمز مک هیو از دانشگاه منچستر، جاناتان سالویدج از دانشگاه برایتون، رابرت وایتای رایس، Venkataramana Gadhamshetty از دانشکده معادن و فناوری داکوتای جنوبی، و نویسنده مسئول، آلن دالتون از دانشگاه ساسکس.
این تحقیق توسط چهار کمک هزینه تحصیلی، صندوق توسعه استراتژی ساسکس، بورسیه دانشگاه منچستر دیم کاتلین اولرنشاو و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد.
