9 september, 2010 - I en tidning publicerad som omslagsberättelsen till den 9 september, 2010 Natur , forskare från Harvard University och MIT har visat att grafen, en förvånansvärt robust plan skiva av kol bara en atoms tjock, kan fungera som ett konstgjort membran som separerar två vätskebehållare.

Genom att borra en liten por bara några nanometer i diameter, kallas en nanopor, i grafenmembranet, de kunde mäta utbyte av joner genom poren och visade att en lång DNA-molekyl kan dras genom grafennanoporen precis som en tråd dras genom nålsögat.

"Genom att mäta flödet av joner som passerar genom en nanopor borrad i grafen har vi visat att tjockleken på grafen nedsänkt i vätska är mindre än 1 nm tjock, eller många gånger tunnare än det mycket tunna membranet som skiljer ett enda djur eller en mänsklig cell från dess omgivande miljö, " säger huvudförfattaren Slaven Garaj, en forskarassistent vid institutionen för fysik vid Harvard. "Detta gör grafen till det tunnaste membranet som kan separera två vätskeavdelningar från varandra. Tjockleken på membranet bestämdes av dess interaktion med vattenmolekyler och joner."

grafen, det starkaste materialet som är känt, har andra fördelar. Viktigast, den är elektriskt ledande.

"Även om membranet hindrar joner och vatten från att flöda genom det, grafenmembranet kan locka olika joner och andra kemikalier till sina två atomärt nära ytor. Detta påverkar grafens elektriska ledningsförmåga och kan användas för kemisk avkänning, " säger medförfattaren Jene Golovchenko, Rumford professor i fysik och Gordon McKay professor i tillämpad fysik vid Harvard, vars banbrytande arbete startade området konstgjorda nanoporer i fasta membran.

"Jag tror att grafenens atomtjocklek gör det till en ny elektrisk enhet som kommer att erbjuda nya insikter i fysik av ytprocesser och leda till ett brett spektrum av praktiska tillämpningar, inklusive kemisk avkänning och detektion av enstaka molekyler."

Under de senaste åren har grafen förvånat forskarvärlden med sina många unika egenskaper och potentiella tillämpningar, allt från elektronik och solenergiforskning till medicinska tillämpningar.

Jing Kong, också en medförfattare på tidningen, och hennes kollegor vid MIT utvecklade först en metod för storskalig tillväxt av grafenfilmer som användes i arbetet.

Grafenet sträcktes över en silikonbaserad ram, och sätts in mellan två separata vätskebehållare. En elektrisk spänning applicerad mellan reservoarerna tryckte jonerna mot grafenmembranet. När en nanopor borrades genom membranet, denna spänning kanaliserade jonflödet genom poren och registrerades som en elektrisk strömsignal.

När forskarna lade till långa DNA-kedjor i vätskan, de drogs elektriskt en efter en genom grafennanoporen. När DNA-molekylen trär nanoporen, det blockerar jonflödet, vilket resulterar i en karakteristisk elektrisk signal som återspeglar storleken och konformationen av DNA-molekylen.

Medförfattare Daniel Branton, Higgins professor i biologi, Emeritus vid Harvard, är en av forskarna som, för mer än ett decennium sedan, initierade användningen av nanoporer i konstgjorda membran för att detektera och karakterisera enstaka DNA-molekyler.

Tillsammans med sin kollega David Deamer vid University of California, Branton föreslog att nanoporer kan användas för att snabbt läsa den genetiska koden, ungefär som man läser data från en ticker-tape-maskin.

När en DNA-kedja passerar genom nanoporen, nukleobaserna, vilka är bokstäverna i den genetiska koden, kan identifieras. Men en nanopor i grafen är den första nanoporen som är kort nog för att skilja mellan två nära angränsande nukleobaser.

Flera utmaningar återstår att övervinna innan en nanopor kan göra sådan läsning, inklusive att kontrollera hastigheten med vilken DNA trär genom nanoporen.

När det uppnås, nanopore-sekvensering kan leda till mycket billig och snabb DNA-sekvensering och har potential att främja personlig hälsovård.

"Vi var de första som demonstrerade DNA-translokation genom ett riktigt atomärt tunt membran. Den unika tjockleken på grafen kan föra drömmen om riktigt billig sekvensering närmare verkligheten. Forskningen som kommer kommer att bli mycket spännande, avslutar Branton.