Voor de eerste keer, een team van wetenschappers is erin geslaagd de dikte van een organische verbinding die aan een grafeenlaag is gebonden, nauwkeurig te meten en te controleren. Hierdoor kan grafeen in de toekomst mogelijk worden gebruikt als een gevoelige detector voor biologische moleculen.

Zuivere koolstof komt in vele vormen voor. Naast de klassieke configuraties die in diamanten worden gevonden, grafiet, en kolen, er zijn andere jongere exotische neven zoals grafeen. De structuur lijkt op een honingraat - een zeshoekig gaas met op elke hoek een koolstofatoom - dat slechts een enkele atoomlaag dik is. Vandaar, het is in wezen tweedimensionaal. Als resultaat, grafeen is extreem geleidend, volledig transparant, en behoorlijk veerkrachtig, zowel chemisch als mechanisch.

Grafeen is niet erg selectief

Het is al lang bekend dat grafeen ook fundamenteel geschikt is om sporen van organische moleculen op te sporen. Dit komt omdat de elektrische geleidbaarheid van grafeen daalt zodra vreemde moleculen eraan binden. Het probleem, Hoewel, is dat dit met bijna elk molecuul gebeurt. Grafeen is niet erg selectief, waardoor het erg moeilijk is om moleculen te onderscheiden. Daarom, het kan niet als sensor worden gebruikt.

Nutsvoorzieningen, montagebeugels voor detectormoleculen bevestigd

Nu heeft een team van het HZB Institute for Silicon Photovoltaics een manier gevonden om de selectiviteit te vergroten. Ze waren succesvol in het elektrochemisch activeren van grafeen en het voorbereiden om moleculen te hosten die fungeren als selectieve bindingsplaatsen. Om dit te bereiken, para-maleïmidofenylgroepen uit een organische oplossing werden geënt op het oppervlak van het grafeen. Deze organische moleculen gedragen zich als montagebeugels waaraan de selectieve detectormoleculen in de volgende stap kunnen worden bevestigd. "Dankzij deze moleculen, het grafeen kan nu worden gebruikt voor het detecteren van verschillende stoffen, vergelijkbaar met hoe een sleutel in een slot past", legt dr. Marc Gluba uit. De "lock"-moleculen op het oppervlak zijn zeer selectief en absorberen alleen de bijpassende "key"-moleculen.

Grote grafeenoppervlakken bij HZB

Ook andere onderzoeksgroepen hadden in die richting geëxperimenteerd. Echter, ze hadden alleen kleine grafeenvlokken met diameters in de micron tot hun beschikking, zodat randeffecten de boventoon voerden. In de tussentijd, natuur- en scheikundigen van de HZB produceerden grafeenoppervlakken van enkele vierkante centimeters, zodat randeffecten nauwelijks een rol spelen in vergelijking met de oppervlakteprocessen. Vervolgens, ze brachten de grafeenlaag over naar een kwartskristalmicrobalans. Elke toename in massa verandert de oscillatiefrequentie van het kwartskristal, zodat zelfs kleine hoeveelheden tot aan individuele moleculaire lagen kunnen worden gemeten.

Nauwkeurige detectie en controle

"Voor de eerste keer, we waren in staat om precies en nauwkeurig te detecteren hoeveel moleculen er daadwerkelijk op het oppervlak van het grafeen waren geënt", meldt junior onderzoeker Felix Rösicke, die dit probleem onderzocht voor zijn proefschrift. "In aanvulling, we kunnen precies bepalen hoeveel moleculen aan het grafeen binden door een aangelegde spanning aan te passen", legt Dr. Jörg Rappich van het HZB Institute for Silicon Photovoltaics uit, adviseur van Rösicke.

"De hoop die we hebben op grafeen is echt enorm", zegt prof. Norbert Nickel, hoofd van het onderzoeksteam. Bijvoorbeeld, één ding dat je je kunt voorstellen zou een echt goedkope "lab-on-a-chip" zijn - je zou een enkele druppel bloed aanbrengen en onmiddellijk gegevens verkrijgen voor belangrijke medische diagnostiek.