物理学者たちは、グラフェンシートが自ら折り畳む折り紙のように自発的に成長し、裂け、剥がれるという新たな挙動を観察した。
炭素は汎用性の高い元素であり、様々な元素（炭素自身も含む）と様々な種類の結合を形成することができます。ダイヤモンド、バッキーボール、グラフェンはすべて炭素の同素体であり、すべて炭素でできていますが、構造は異なります。
グラフェンは2004年に発見され、「奇跡の素材」としてニュースで取り上げられました。顕微鏡で見ると、グラフェンは金網のように見えます。その配列によって、科学者たちは今もなおその興味深い特性を発見し続けています。
Natureに掲載されたこの論文は、熱活性化によってグラフェンの層が魔法のように滑ったり、折り畳まれたり、剥がれたり、内部で細長く裂けたりすることを示している。
このプロセスは室温で起こりますが、温度が高くなると加速されます。
「グラフェンは10年以上研究に利用されてきました。このプロセスはおそらく人々の目の前で起こっていたのでしょうが、誰も気づいていませんでした。おそらく、これが本質的に起こっていることに気づいていなかったのでしょう」と、論文の共著者であり、ダブリン大学トリニティ・カレッジ物理学部およびCRANNの教授であるグラハム・クロス氏はThe Register紙に語った。
この現象を観察するために、物理学者たちはまずグラファイトの層を分離してグラフェンを生成した。大きなグラフェンシートから、幅300～2,000ナノメートル、長さ最大5マイクロメートルの薄い二次元リボンが生成された。
リボンをシリコンウエハー上に置き、次にダイヤモンドチップでリボンに穴を開けて微細な窪みを形成した。すると、グラフェンの細い繊維が自発的に剥がれ、折り畳まれ、窪みの端から成長した。
3つのグラフェンリボンがへこみから剥がれ、成長している。写真：ジェームズ・アネット
クロス氏は、プロセスが始まるまでにどれくらいの時間がかかったかを測定する方法はなかったが、おそらく「ほんの一瞬」だろうと推定したと述べた。
研究者たちは、この挙動は熱力学の法則に帰着すると考えています。物理系はエネルギーを節約し、最も低いエネルギー状態を取ろうとします。クロス氏は、この引き裂き効果は「グラフェンがエネルギー的に有利であるため、むしろ自分自身と接触することを好む」ためだと述べています。
グラフェンサンプルは、13日間かけてホットプレートで150 ℃まで加熱され、集光レーザースポットも照射された。これにより、熱活性化が調べられた。高温になると、リボンの成長速度が速くなり、長さも長くなった。
しかし、室温ではこの挙動はサンプルの70%にしか見られなかったとクロス氏は述べた。グラフェンの繊維は、邪魔になる汚染粒子があれば成長しない。温度が高くなると、熱エネルギーによってグラフェンが汚染物質を押しのけるエネルギーが増し、この挙動が起こる可能性が高まった。
この奇妙な挙動は、多くの応用の可能性を開くと研究者たちは考えています。リボンの中に薬剤を貯蔵し、ゲートを開くようにグラフェンが剥がれる際に薬剤を放出させるといったことも可能です。
クロス氏によると、まだ証明されていないものの、このプロセスは可逆的である可能性があるという。グラフェンの層はスイッチのように前後にスライドしたり、バルブのように開閉したりして、バイオチップ内で液体やガスを輸送できる可能性がある。
自己組織化プロセスは、リソグラフィープロセスを支援する可能性があるため、グラフェンマイクロチップの製造に役立つ可能性があります。
クロス氏は、この挙動をさらに研究し、センサーデバイスの開発が可能かどうかを検討したいと述べた。グラフェンフラップは10～500GHz程度の高周波で振動し、電波の検出と測定に利用できる可能性がある。®
