Veel gebieden van fundamenteel onderzoek zijn geïnteresseerd in grafeen vanwege zijn uitzonderlijke eigenschappen. Het is gemaakt van één laag koolstofatomen, waardoor het licht en stevig is, en het is een uitstekende thermische en elektrische geleider. Ondanks het schijnbaar onbegrensde potentieel, echter, tot op heden zijn er weinig toepassingen aangetoond. Wetenschappers van EPFL's Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) samen met onderzoekers van het Institute of Photonic Sciences (ICFO, Spanje) hebben er nu nog een toegevoegd. Ze hebben de unieke optische en elektronische eigenschappen van grafeen benut om een ​​herconfigureerbare, zeer gevoelige molecuulsensor te ontwikkelen.

De resultaten worden beschreven in een artikel dat verschijnt in de laatste editie van het tijdschrift Wetenschap .

Licht scherpstellen om de waarneming te verbeteren

De onderzoekers gebruikten grafeen om een ​​bekende molecuuldetectiemethode te verbeteren:infraroodabsorptiespectroscopie. Bij de standaardmethode licht wordt gebruikt om de moleculen te prikkelen, die verschillend trillen afhankelijk van hun aard. Het is te vergelijken met een gitaarsnaar, die verschillende geluiden maakt, afhankelijk van de lengte. Dankzij deze vibratie, de moleculen onthullen hun aanwezigheid en zelfs hun identiteit. Deze "handtekening" kan worden "gelezen" in het gereflecteerde licht.

Deze methode is niet effectief, echter, bij het detecteren van moleculen van nanometrisch formaat. De golflengte van het infrarode foton gericht op een molecuul is ongeveer 6 micron (6, 000 nanometer - 0,006 millimeter), terwijl het doelwit slechts enkele nanometers meet (ongeveer 0.000001 mm). Het is een hele uitdaging om de vibratie van zo'n klein molecuul in gereflecteerd licht te detecteren.

Daar komt grafeen om de hoek kijken. Als het de juiste geometrie krijgt, het grafeen is in staat om het licht op een precieze plek op het oppervlak te concentreren en de vibratie te 'horen' van een nanometrisch molecuul dat eraan vastzit. "We modelleren eerst nanostructuren op het grafeenoppervlak door het te bombarderen met elektronenstralen en het te etsen met zuurstofionen, " zei Daniël Rodrigo, co-auteur van de publicatie. "Als het licht komt, de elektronen in grafeen nanostructuren beginnen te oscilleren. Dit fenomeen, bekend als 'gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie, ' dient om het licht te concentreren in kleine vlekjes, die vergelijkbaar zijn met de afmetingen van de doelmoleculen. Het is dan mogelijk om nanometrische structuren te detecteren."

Grafeen in realtime opnieuw configureren om de structuur van het molecuul te zien

Er is meer aan de hand. Naast het identificeren van de aanwezigheid van nanometrische moleculen, dit proces kan ook de aard van de bindingen onthullen die de atomen verbinden waaruit het molecuul is samengesteld.

Als een molecuul trilt, het geeft niet slechts één soort 'geluid' af. Het produceert een hele reeks trillingen, die worden gegenereerd door de bindingen die de verschillende atomen verbinden. Terugkomend op het voorbeeld van de gitaar:elke snaar trilt anders en samen vormen ze één muziekinstrument. Deze nuances geven informatie over de aard van elke binding en over de gezondheid van het gehele molecuul. "Deze trillingen fungeren als een vingerafdruk waarmee we het molecuul kunnen identificeren, zoals eiwitten, en kunnen zelfs hun gezondheidstoestand vertellen", zei Odeta Limaj, een andere co-auteur van de publicatie.

Om het geluid van elk van de snaren op te vangen, het moet mogelijk zijn om een ​​hele reeks frequenties te identificeren. En dat is iets wat grafeen kan doen. De onderzoekers "stemden" het grafeen af ​​op verschillende frequenties door spanning toe te passen, wat niet mogelijk is met stroomsensoren. Door de elektronen van grafeen op verschillende manieren te laten oscilleren, is het mogelijk om alle trillingen van het molecuul op het oppervlak te "lezen". "We hebben deze methode getest op eiwitten die we aan het grafeen hebben vastgemaakt. Het gaf ons een volledig beeld van het molecuul, ' zei Hatice Altug.

Een grote stap dichter bij het gebruik van grafeen voor molecuuldetectie

Het nieuwe op grafeen gebaseerde proces betekent een grote stap voorwaarts voor de onderzoekers, om verschillende redenen. Eerst, deze eenvoudige methode laat zien dat het mogelijk is om een ​​complexe analyse uit te voeren met slechts één apparaat, terwijl het normaal gesproken veel verschillende vereist. En dit alles zonder het biologische monster te benadrukken of te wijzigen. Tweede, het toont het ongelooflijke potentieel van grafeen op het gebied van detectie. "Er zijn veel mogelijke toepassingen, " zei Altug. "We concentreerden ons op biomoleculen, maar de methode zou ook moeten werken voor polymeren, en vele andere stoffen, " voegde ze eraan toe.