Onderzoekers van het University of Minnesota College of Science and Engineering hebben nog een ander opmerkelijk gebruik gevonden voor het wondermateriaal grafeen:een klein elektronisch "pincet" dat met ongelooflijke efficiëntie biomoleculen kan grijpen die in water drijven. Deze mogelijkheid zou kunnen leiden tot een revolutionair handheld ziektediagnosesysteem dat op een smartphone kan worden uitgevoerd.

grafeen, een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen, werd meer dan tien jaar geleden ontdekt en heeft onderzoekers geboeid met zijn reeks verbazingwekkende eigenschappen die zijn gebruikt in veel nieuwe toepassingen, van micro-elektronica tot zonnecellen.

Het grafeenpincet ontwikkeld aan de Universiteit van Minnesota is veel effectiever in het vangen van deeltjes in vergelijking met andere technieken die in het verleden werden gebruikt vanwege het feit dat grafeen een enkel atoom dik is, minder dan 1 miljardste van een meter.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een toonaangevend tijdschrift op het gebied van nanomaterialen en apparaten.

Het scherpste pincet ter wereld

Het fysieke principe van het pincet of het vangen van objecten op nanometerschaal, bekend als diëlektroforese, is al lang bekend en wordt typisch toegepast door een paar metalen elektroden te gebruiken. Vanuit het oogpunt van het grijpen van moleculen, echter, metalen elektroden zijn erg bot. Ze missen gewoon de "scherpte" om objecten op nanometerschaal op te pikken en te besturen.

"Grafeen is het dunste materiaal dat ooit is ontdekt, en het is deze eigenschap die ons in staat stelt om deze pincetten zo efficiënt te maken. Geen ander materiaal kan in de buurt komen, " zei onderzoeksteamleider Sang-Hyun Oh, een Sanford P. Bordeau-professor aan de afdeling Electrical and Computer Engineering van de University of Minnesota. "Om een ​​efficiënt elektronisch pincet te bouwen om biomoleculen te grijpen, eigenlijk moeten we geminiaturiseerde bliksemafleiders maken en een enorme hoeveelheid elektrische flux op de scherpe punt concentreren. De randen van grafeen zijn de scherpste bliksemafleiders."

Het team toonde ook aan dat het grafeenpincet kan worden gebruikt voor een breed scala aan fysieke en biologische toepassingen door halfgeleider-nanokristallen te vangen, nanodiamant deeltjes, en zelfs DNA-moleculen. Normaal gesproken zou dit type trapping hoge spanningen vereisen, beperken tot een laboratoriumomgeving, maar grafeenpincet kan kleine DNA-moleculen van ongeveer 1 Volt vangen, wat betekent dat dit zou kunnen werken op draagbare apparaten zoals mobiele telefoons.

Met behulp van de ultramoderne nanofabricagefaciliteiten van de Universiteit van Minnesota in het Minnesota Nano Center, Elektriciteit en computertechniek Professor Steven Koester's team maakte het grafeenpincet door een sandwichstructuur te creëren waarbij een dun isolatiemateriaal, hafniumdioxide genaamd, is ingeklemd tussen een metalen elektrode aan de ene kant en grafeen aan de andere kant. Hafniumdioxide is een materiaal dat veel wordt gebruikt in moderne geavanceerde microchips.

"Een van de geweldige dingen van grafeen is dat het compatibel is met standaardverwerkingstools in de halfgeleiderindustrie, waardoor het veel gemakkelijker wordt om deze apparaten in de toekomst op de markt te brengen, " zei Koester, die de inspanning leidde om de grafeenapparaten te fabriceren.

"Omdat we de eersten zijn die zo'n low-power trapping van biomoleculen demonstreren met behulp van grafeenpincet, er moet nog meer werk worden verzet om de theoretische limieten voor een volledig geoptimaliseerd apparaat te bepalen, " zei Avijit Barik, een afgestudeerde student elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Minnesota en hoofdauteur van de studie. "Voor deze eerste demonstratie, we hebben geavanceerde laboratoriuminstrumenten gebruikt, zoals een fluorescentiemicroscoop en elektronische instrumenten. Ons uiteindelijke doel is om het hele apparaat te miniaturiseren tot een enkele microchip die wordt bediend door een mobiele telefoon."

Pincet die kan 'voelen'

Een ander opwindend vooruitzicht voor deze technologie die grafeenpincet scheidt van op metaal gebaseerde apparaten, is dat grafeen ook de opgesloten biomoleculen kan "voelen". Met andere woorden, het pincet kan worden gebruikt als biosensoren met een uitstekende gevoeligheid die kunnen worden weergegeven met behulp van eenvoudige elektronische technieken.

"Grafeen is een extreem veelzijdig materiaal, "Zei Koester. "Het maakt geweldige transistors en fotodetectoren, en heeft het potentieel voor lichtemissie en andere nieuwe biosensor-apparaten. Door de mogelijkheid toe te voegen om snel moleculen op grafeen te grijpen en te detecteren, we kunnen een ideaal elektronicaplatform met laag vermogen ontwerpen voor een nieuw type draagbare biosensor."

Oh is het ermee eens dat de mogelijkheden eindeloos zijn.

"Naast grafeen, we kunnen een grote verscheidenheid aan andere tweedimensionale materialen gebruiken om atomair scherpe pincetten te bouwen in combinatie met ongebruikelijke optische of elektronische eigenschappen, " zei Oh. "Het is echt opwindend om te denken aan atomair scherpe pincetten die kunnen worden gebruikt om te vangen, gevoel, en laat biomoleculen elektronisch vrij. Dit zou een enorm potentieel kunnen hebben voor point-of-care-diagnostiek, dat is ons uiteindelijke doel voor dit krachtige apparaat."

Naast O, Koester, en Barik, andere onderzoekers van het team zijn onder meer University of Minnesota Department of Electrical and Computer Engineering Assistant Professor Tony Low, afgestudeerde student Yao Zhang, en postdoctoraal onderzoeker Roberto Grassi, evenals professor Joshua Edel en onderzoeksmedewerker Binoy Paulose Nadappuram van Imperial College London.

Het onderzoek van de Universiteit van Minnesota werd voornamelijk gefinancierd door de National Science Foundation en het Minnesota Partnership for Biotechnology and Medical Genomics, een unieke samenwerking tussen de Universiteit van Minnesota, Mayo Kliniek, en de staat Minnesota.