9 september 2010 - In een paper gepubliceerd als de cover story van 9 september 2010 Natuur , onderzoekers van Harvard University en MIT hebben aangetoond dat grafeen, een verrassend robuuste vlakke plaat koolstof van slechts één atoom dik, kan fungeren als een kunstmatig membraan dat twee vloeistofreservoirs scheidt.

Door een kleine porie te boren met een diameter van slechts enkele nanometers, een nanoporie genoemd, in het grafeenmembraan, ze waren in staat om de uitwisseling van ionen door de porie te meten en toonden aan dat een lang DNA-molecuul door de grafeen-nanoporie kan worden getrokken, net zoals een draad door het oog van een naald wordt getrokken.

"Door de stroom van ionen te meten die door een nanoporie gaan die in grafeen is geboord, hebben we aangetoond dat de dikte van grafeen ondergedompeld in vloeistof minder dan 1 nm dik is, of vele malen dunner dan het zeer dunne membraan dat een enkele dierlijke of menselijke cel scheidt van zijn omgeving, " zegt hoofdauteur Slaven Garaj, een onderzoeksmedewerker bij de afdeling natuurkunde van Harvard. "Dit maakt grafeen het dunste membraan dat in staat is om twee vloeistofcompartimenten van elkaar te scheiden. De dikte van het membraan werd bepaald door de interactie met watermoleculen en ionen."

grafeen, het sterkste materiaal dat bekend is, heeft andere voordelen. Het belangrijkste is, het is elektrisch geleidend.

"Hoewel het membraan ervoor zorgt dat er geen ionen en water doorheen kunnen stromen, het grafeenmembraan kan verschillende ionen en andere chemicaliën aantrekken naar zijn twee atomair dichte oppervlakken. Dit beïnvloedt de elektrische geleidbaarheid van grafeen en kan worden gebruikt voor chemische detectie, " zegt co-auteur Jene Golovchenko, Rumford hoogleraar natuurkunde en Gordon McKay hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Harvard, wiens baanbrekende werk begon op het gebied van kunstmatige nanoporiën in vastestofmembranen.

"Ik geloof dat de atomaire dikte van het grafeen het tot een nieuw elektrisch apparaat maakt dat nieuwe inzichten zal bieden in de fysica van oppervlakteprocessen en zal leiden tot een breed scala aan praktische toepassingen, inclusief chemische detectie en detectie van afzonderlijke moleculen."

In de afgelopen jaren heeft grafeen de wetenschappelijke gemeenschap verbaasd met zijn vele unieke eigenschappen en potentiële toepassingen, variërend van elektronica en zonne-energieonderzoek tot medische toepassingen.

Jing Kong, ook een co-auteur op het papier, en haar collega's van MIT ontwikkelden eerst een methode voor de grootschalige groei van grafeenfilms die in het werk werd gebruikt.

Het grafeen werd gespannen over een frame op basis van silicium, en tussen twee afzonderlijke vloeistofreservoirs gestoken. Een elektrische spanning tussen de reservoirs duwde de ionen naar het grafeenmembraan. Toen een nanoporie door het membraan werd geboord, deze spanning geleidde de stroom van ionen door de porie en werd geregistreerd als een elektrisch stroomsignaal.

Toen de onderzoekers lange DNA-ketens aan de vloeistof toevoegden, ze werden één voor één elektrisch door de grafeen-nanoporie getrokken. Terwijl het DNA-molecuul door de nanoporie rijgt, het blokkeert de stroom van ionen, resulterend in een karakteristiek elektrisch signaal dat de grootte en conformatie van het DNA-molecuul weerspiegelt.

Co-auteur Daniel Branton, Higgins hoogleraar biologie, emeritus aan Harvard, is een van de onderzoeken die meer dan een decennium geleden, begonnen met het gebruik van nanoporiën in kunstmatige membranen om afzonderlijke DNA-moleculen te detecteren en te karakteriseren.

Samen met zijn collega David Deamer van de University of California, Branton suggereerde dat nanoporiën kunnen worden gebruikt om snel de genetische code te lezen, net zoals je de gegevens van een ticker-tape-machine leest.

Als een DNA-keten door de nanoporie gaat, de nucleobasen, dat zijn de letters van de genetische code, kan worden geïdentificeerd. Maar een nanoporie in grafeen is de eerste nanoporie die kort genoeg is om onderscheid te maken tussen twee nauw aangrenzende nucleobasen.

Er moeten nog verschillende uitdagingen worden overwonnen voordat een nanoporie een dergelijke lezing kan doen, inclusief het regelen van de snelheid waarmee DNA door de nanoporie gaat.

Wanneer bereikt, nanopore-sequencing zou kunnen leiden tot zeer goedkope en snelle DNA-sequencing en heeft potentieel om gepersonaliseerde gezondheidszorg te bevorderen.

"We waren de eersten die DNA-translocatie door een echt atomair dun membraan aantoonden. De unieke dikte van het grafeen zou de droom van echt goedkope sequencing dichter bij de realiteit kunnen brengen. Het komende onderzoek zal heel opwindend zijn, ’ besluit Branton.