(PhysOrg.com) -- Kijk naar de punt van dat oude potlood in je bureaula, en wat je zult zien zijn lagen grafiet die duizenden atomen dik zijn. Teken met het potlood een lijn op een stuk papier, en het merkteken dat je op de pagina ziet, bestaat uit honderden lagen van één atoom.

Maar toen wetenschappers een manier vonden - met behulp van eigenlijk, een stuk gewoon plakband - om een ​​laag grafiet af te pellen die slechts één atoom dik was, ze noemden het tweedimensionale materiaal grafeen en, in 2010, won de Nobelprijs voor de natuurkunde voor de ontdekking.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Delaware hebben high-performance computermodellering uitgevoerd om een ​​nieuwe benadering voor ultrasnelle DNA-sequencing op basis van kleine gaatjes te onderzoeken, nanoporiën genoemd, geboord in een plaat grafeen.

"Grafeen is een tweedimensionale laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon" Branislav Nikolic, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde, zei. "De mechanische stabiliteit van grafeen maakt het mogelijk om een ​​elektronenstraal te gebruiken om een ​​nanoporie te vormen in een zwevende laag grafeen, zoals aangetoond in 2008 door Marija Drndić aan de Universiteit van Pennsylvania.”

Grafeen is de afgelopen vijf jaar een van de snelstgroeiende studiegebieden in nanowetenschap en -technologie geweest, zei Nikolai. Hij noemt het een wondermateriaal met opmerkelijke mechanische, elektronische en optische eigenschappen en wordt onderzocht voor een verscheidenheid aan toepassingen, zo divers als plastic verpakkingen en gigahertz-transistoren van de volgende generatie.

In de volgorde die hij en andere natuurkundigen hebben voorgesteld, een klein gaatje met een diameter van enkele nanometers wordt in een vel grafeen geboord en DNA wordt door die nanoporie geregen. Vervolgens, een stroom van ionen die verticaal door de porie stroomt of een elektronische stroom die dwars door het grafeen stroomt, wordt gebruikt om de aanwezigheid van verschillende DNA-basen in de nanopore te detecteren.

“Omdat grafeen maar één atoom dik is, de nanoporie waardoor het DNA wordt geregen heeft contact met slechts een enkele DNA-base, ’ zei Nikolic.

In 2010, drie experimentele teams - onder leiding van Jene Golovchenko van Harvard, Cees Dekker van Delft en Drndić hebben DNA-detectie aangetoond met behulp van nanoporiën in grafeen met een groot oppervlak. Echter, Nikolai zei, het proces ging te snel voor de bestaande elektronica om enkele DNA-basen te detecteren.

Het nieuwe apparaatconcept dat door de UD-onderzoekers wordt voorgesteld, maakt gebruik van grafeen-nanoribbons - dunne stroken grafeen die minder dan 10 nanometer breed zijn - met een nanoporie die in hun interieur is geboord. Chemici, ingenieurs, materiaalwetenschappers en natuurkundigen hebben de afgelopen drie jaar verschillende methoden bedacht om nanolinten te fabriceren met een specifiek zigzagpatroon van koolstofatomen langs hun randen, zei Nikolai. Nanoribbons kunnen snelle en goedkope (minder dan $ 1, 000) DNA-sequencing, hij zei, vanwege de kwantummechanisch gegenereerde elektronische stromen die langs die randen stromen.

Dergelijke snelle en goedkope DNA-sequencing zou een tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde kunnen inluiden, zei Nikolai.

"We hebben de kennis die is opgedaan tijdens meerdere jaren van theoretisch en computationeel onderzoek naar het elektronische transport in grafeen gebruikt om de grootte van de detectiestroom in onze biosensor duizend tot miljoen keer te vergroten in vergelijking met andere recentelijk overwogen apparaten, ' zei Nikolic. 'Twee jaar geleden, wetenschappers zouden me verteld hebben dat ons apparaat onmogelijk was, maar er werken zoveel mensen aan grafeen dat niets meer onmogelijk is.

"Elke keer als natuurkundigen denken dat iets onmogelijk is, materiaalwetenschappers of chemici komen te hulp - en vice versa."

Nikolic zei dat hij en postdoctoraal onderzoeker Kamal Saha hun inlandse massaal parallelle computationele codes hebben gebruikt om de werking van de voorgestelde nano-elektronische biosensor vanaf de eerste principes te simuleren, met behulp van de supercomputer Chimera die UD verwierf met steun van een National Science Foundation-subsidie.

"Dit project moet op 500-1 draaien, 000 processors gedurende meerdere maanden continu, " zei hij. "We hadden het niet kunnen doen zonder dat UD Chimera begin 2011 volledig operationeel was geworden."

Nicoli, Saha en Drndić hebben onlangs de resultaten van dit onderzoek gepubliceerd in een artikel in het prestigieuze Nano-letters , een tijdschrift met een impactfactor van 12.219 uitgegeven door de American Chemical Society. Collega's, geleid door Drndić aan de Universiteit van Pennsylvania, zullen nu proberen de biosensoren in hun laboratorium te fabriceren, geleid door de simulaties die in het artikel worden gepresenteerd. Nikolic zei dat deze onderzoekssynergie, beurtelings, simulaties van verbeterde apparaatontwerpen mogelijk maken.