Grafeen nanoribbons (GNR's) buigen en draaien gemakkelijk in oplossing, waardoor ze geschikt zijn voor biologische toepassingen zoals DNA-analyse, medicijnafgifte en biomimetische toepassingen, volgens wetenschappers van Rice University.

Als we de details kennen van hoe GNR's zich in een oplossing gedragen, kunnen ze geschikt worden gemaakt voor breed gebruik in biomimetica, volgens rijstfysicus Ching-Hwa Kiang, wiens lab zijn unieke mogelijkheden gebruikte om nanoschaalmaterialen zoals cellen en eiwitten in natte omgevingen te onderzoeken. Biomimetische materialen zijn materialen die de vormen en eigenschappen van natuurlijke materialen imiteren.

Het onderzoek onder leiding van de recente Rice-afgestudeerde Sithara Wijeratne, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University, verschijnt in het tijdschrift Nature Wetenschappelijke rapporten .

Grafeen nanolinten kunnen duizenden keren langer zijn dan breed. Ze kunnen in bulk worden geproduceerd door koolstofnanobuisjes chemisch te "openritsen", een proces uitgevonden door Rice-chemicus en co-auteur James Tour en zijn laboratorium.

Door hun grootte kunnen ze werken op de schaal van biologische componenten zoals eiwitten en DNA, zei Kiang. "We bestuderen de mechanische eigenschappen van allerlei soorten materialen, van eiwitten tot cellen, maar een beetje anders dan de manier waarop andere mensen doen, " zei ze. "We zien graag hoe materialen zich gedragen in oplossing, omdat daar biologische dingen zijn." Kiang is een pionier in het ontwikkelen van methoden om de energietoestanden van eiwitten te onderzoeken terwijl ze vouwen en ontvouwen.

Ze zei dat Tour haar laboratorium voorstelde om naar de mechanische eigenschappen van GNR's te kijken. "Het is een beetje extra werk om deze dingen in oplossing te bestuderen in plaats van droog, maar dat is onze specialiteit, " ze zei.

Nanolinten staan ​​bekend om het toevoegen van sterkte maar niet aan gewicht aan solid-state composieten, zoals fietsframes en tennisrackets, en het vormen van een elektrisch actieve matrix. Een recent Rice-project bracht ze in een efficiënte de-icer-coating voor vliegtuigen.

Maar in een squishyre omgeving, hun vermogen om zich aan te passen aan oppervlakken, stroom voeren en composieten versterken, kunnen ook waardevol zijn.

"Het blijkt dat grafeen zich redelijk goed gedraagt, enigszins vergelijkbaar met andere biologische materialen. Maar het interessante is dat het zich in een oplossing anders gedraagt ​​dan in de lucht, " zei ze. De onderzoekers ontdekten dat, net als DNA en eiwitten, nanolinten in oplossing vormen van nature plooien en lussen, maar kan ook helicoïden vormen, rimpels en spiralen.

Kian, Wijeratne en Jingqiang Li, een co-auteur en student in het Kiang-lab, gebruikten atomaire krachtmicroscopie om hun eigenschappen te testen. Atoomkrachtmicroscopie kan niet alleen afbeeldingen met een hoge resolutie verzamelen, maar ook gevoelige krachtmetingen van nanomaterialen uitvoeren door eraan te trekken. De onderzoekers onderzochten GNR's en hun voorlopers, grafeenoxide nanoribbons.

De onderzoekers ontdekten dat alle nanoribbons stijf worden onder stress, maar hun stijfheid neemt toe naarmate oxidemoleculen worden verwijderd om grafeenoxide-nanoribbons om te zetten in GNR's. Ze stelden voor dat dit vermogen om hun stijfheid af te stemmen zou moeten helpen bij het ontwerp en de fabricage van GNR-biomimetische interfaces.

"Grafeen- en grafeenoxidematerialen kunnen worden gefunctionaliseerd (of aangepast) om te integreren met verschillende biologische systemen, zoals DNA, eiwitten en zelfs cellen, " zei Kiang. "Deze zijn gerealiseerd in biologische apparaten, detectie van biomoleculen en moleculaire geneeskunde. De gevoeligheid van grafeen-bio-apparaten kan worden verbeterd door gebruik te maken van smalle grafeenmaterialen zoals nanoribbons."

Wijeratne merkte op dat grafeen nanoribbons al worden getest voor gebruik bij DNA-sequencing, waarin strengen DNA door een nanoporie in een geëlektrificeerd materiaal worden getrokken. De basiscomponenten van DNA beïnvloeden het elektrische veld, die kan worden gelezen om de bases te identificeren.

De onderzoekers zagen de biocompatibiliteit van nanoribbons als potentieel nuttig voor sensoren die door het lichaam kunnen reizen en rapporteren over wat ze vinden, niet anders dan de nanoreporters van het Tour-lab die informatie uit oliebronnen halen.

Verdere studies zullen zich richten op het effect van de breedte van de nanoribbons, die variëren van 10 tot 100 nanometer, op hun eigendommen.