Wetenschappers hebben gebruik gemaakt van de exotische eigenschappen van grafeen, een één atoom dikke laag koolstof, om te functioneren als de film van een ongelooflijk gevoelig camerasysteem om kleine elektrische velden in een vloeistof visueel in kaart te brengen. Onderzoekers hopen dat de nieuwe methode uitgebreidere en nauwkeurigere beeldvorming mogelijk zal maken van de elektrische signaleringsnetwerken in onze harten en hersenen.

De mogelijkheid om de sterkte en beweging van zeer zwakke elektrische velden visueel weer te geven, zou ook kunnen helpen bij de ontwikkeling van zogenaamde lab-on-a-chip-apparaten die zeer kleine hoeveelheden vloeistoffen op een microchip-achtig platform gebruiken om ziekte of hulp te diagnosticeren. bij de ontwikkeling van medicijnen, bijvoorbeeld, of die een reeks andere biologische en chemische analyses automatiseren.

De opstelling kan mogelijk worden aangepast voor het detecteren of vangen van specifieke chemicaliën, te, en voor studies van op licht gebaseerde elektronica (een veld dat bekend staat als opto-elektronica).

Een nieuwe manier om elektrische velden te visualiseren

“Dit was een volledig nieuwe, innovatief idee dat grafeen kan worden gebruikt als materiaal om elektrische velden in een vloeistof te detecteren, " zei Jason Horng, een co-hoofdauteur van een studie gepubliceerd op 16 december in Natuurcommunicatie dat beschrijft de eerste demonstratie van dit op grafeen gebaseerde beeldvormingssysteem. Horng is verbonden aan het Kavli Energy NanoSciences Institute, een gezamenlijk instituut van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley, en is een postdoctoraal onderzoeker aan UC Berkeley.

Het idee ontstond uit een gesprek tussen Feng Wang, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab wiens onderzoek zich richt op de beheersing van licht-materie-interacties op nanoschaal, en Bianxiao Cui, die een onderzoeksteam leidt aan de Stanford University dat gespecialiseerd is in de studie van zenuwcelsignalering. Wang is ook een universitair hoofddocent natuurkunde aan de UC Berkeley, en Cui is universitair hoofddocent scheikunde aan de Stanford University.

"Het basisconcept was hoe grafeen kan worden gebruikt als een zeer algemene en schaalbare methode voor het oplossen van zeer kleine veranderingen in de grootte, positie, en timingpatroon van een lokaal elektrisch veld, zoals de elektrische impulsen geproduceerd door een enkele zenuwcel, " zei Halleh B. Balch, een co-lead auteur in het werk. Balch is ook verbonden aan het Kavli Energy NanoSciences Institute en is een natuurkunde-promovendus aan UC Berkeley.

"Een van de grootste problemen bij het bestuderen van een groot netwerk van cellen is begrijpen hoe informatie zich tussen hen voortplant, ' zei Balch.

Er zijn andere technieken ontwikkeld om elektrische signalen van kleine reeksen cellen te meten, hoewel deze methoden moeilijk kunnen worden opgeschaald naar grotere arrays en in sommige gevallen individuele elektrische impulsen niet naar een specifieke cel kunnen worden getraceerd.

Ook, Cui zei, "Deze nieuwe methode verstoort de cellen op geen enkele manier, wat fundamenteel verschilt van bestaande methoden die genetische of chemische modificaties van het celmembraan gebruiken."

Het nieuwe platform moet gemakkelijker eencellige metingen mogelijk maken van elektrische impulsen die zich verplaatsen over netwerken met 100 of meer levende cellen, aldus onderzoekers.

De lichtabsorberende eigenschappen van grafeen benutten

grafeen, die is samengesteld uit een honingraatrangschikking van koolstofatomen, is de focus van intense R&D vanwege zijn ongelooflijke kracht, vermogen om elektriciteit zeer efficiënt te geleiden, hoge mate van chemische stabiliteit, de snelheid waarmee elektronen over het oppervlak kunnen bewegen, en andere exotische eigenschappen. Een deel van dit onderzoek is gericht op het gebruik van grafeen als component in computercircuits en beeldschermen, in medicijnafgiftesystemen, en in zonnecellen en batterijen.

In de laatste studie, onderzoekers gebruikten voor het eerst infrarood licht geproduceerd in de geavanceerde lichtbron van Berkeley Lab om de effecten van een elektrisch veld op de absorptie van infrarood licht door grafeen te begrijpen.

In het experiment, ze richtten een infraroodlaser door een prisma op een dunne laag die een golfgeleider wordt genoemd. De golfgeleider is ontworpen om precies overeen te komen met de lichtabsorberende eigenschappen van grafeen, zodat al het licht langs de grafeenlaag werd geabsorbeerd in afwezigheid van een elektrisch veld.

Onderzoekers vuurden vervolgens kleine elektrische pulsen af ​​in een vloeibare oplossing boven de grafeenlaag die de lichtabsorptie van de grafeenlaag heel licht verstoorde. waardoor wat licht kon ontsnappen op een manier die een nauwkeurige handtekening van het elektrische veld droeg. Onderzoekers hebben een reeks beelden van dit ontsnappende licht vastgelegd in intervallen van duizendsten van een seconde, en deze afbeeldingen gaven een directe visualisatie van de sterkte en locatie van het elektrische veld langs het oppervlak van het grafeen.

Miljoensten-van-een-volt gevoeligheid

Het nieuwe beeldvormingsplatform - CAGE genaamd voor "Critically coupled waveguide-Amplified Graphene Electric field imaging device" - bleek gevoelig voor spanningen van enkele microvolts (miljoensten van een volt). Dit maakt het ultragevoelig voor de elektrische velden tussen cellen in netwerken van hartcellen en zenuwcellen, die kan variëren van tientallen microvolts tot enkele millivolts (duizendsten van een volt).

Onderzoekers ontdekten dat ze de locatie van een elektrisch veld langs het oppervlak van de grafeenplaat konden lokaliseren tot tientallen microns (miljoensten van een meter), en de vervagingssterkte ervan vastleggen in een reeks tijdstappen gescheiden door slechts vijf milliseconden, of duizendsten van een seconde.

In één reeks, onderzoekers gedetailleerd de positie en dissipatie, of vervagen, van een lokaal elektrisch veld opgewekt door een 10 duizendsten-van-een-volt puls over een periode van ongeveer 240 milliseconden, met een gevoeligheid tot ongeveer 100 miljoenste van een volt.

Volgende:levende hartcellen

Balch zei dat er al plannen zijn om de platforms met levende cellen te testen. "We werken samen met medewerkers om dit te testen met echte hartcellen, " zei ze. "Er zijn verschillende potentiële toepassingen voor dit onderzoek naar hartgezondheid en drugsscreening."

Er is ook potentieel om naast grafeen andere atomair dunne materialen te gebruiken in de beeldvormingsopstelling, ze zei.

"Het soort elegantie achter dit systeem komt van zijn algemeenheid, "Zei Balch. "Het kan gevoelig zijn voor alles wat lading draagt."