(PhysOrg.com) -- Titta på spetsen på den gamla pennan i din skrivbordslåda, och vad du kommer att se är lager av grafit som är tusentals atomer tjocka. Använd pennan för att rita en linje på ett papper, och märket som du ser på sidan består av hundratals enatomslager.

Men när forskare hittade ett sätt - att använda, väsentligen, en bit vanlig tejp – för att dra bort ett lager grafit som bara var en enda atom tjockt, de kallade det tvådimensionella materialet grafen och, år 2010, vann Nobelpriset i fysik för upptäckten.

Nu, Forskare vid University of Delaware har genomfört högpresterande datormodeller för att undersöka en ny metod för ultrasnabb DNA-sekvensering baserad på små hål, kallas nanoporer, borrade in i ett ark grafen.

"Grafen är ett tvådimensionellt ark av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster" Branislav Nikolic, docent i fysik och astronomi, sa. "Den mekaniska stabiliteten hos grafen gör det möjligt att använda en elektronstråle för att skulptera en nanopor i ett upphängt ark av grafen, som visades 2008 av Marija Drndić vid University of Pennsylvania.”

Grafen har varit bland de snabbast växande studieområdena inom nanovetenskap och teknik under de senaste fem åren, sa Nikolic. Han kallar det ett undermaterial som har anmärkningsvärda mekaniska, elektroniska och optiska egenskaper och undersöks för en mängd olika tillämpningar så olika som plastförpackningar och nästa generations gigahertz-transistorer.

I den sekvens som han och andra fysiker har föreslagit, ett litet hål på några nanometer i diameter borras i ett ark grafen och DNA träs genom den nanoporen. Sedan, en jonström som flyter vertikalt genom poren eller en elektronisk ström som flyter tvärs genom grafenen används för att detektera förekomsten av olika DNA-baser i nanoporen.

"Eftersom grafen bara är en atom tjock, nanoporen genom vilken DNA träs har kontakt med endast en enda DNA-bas, sa Nikolic.

2010, tre experimentella team – ledda av Jene Golovchenko från Harvard, Cees Dekker från Delft och Drndić – demonstrerade DNA-detektion med nanoporer i grafen med stor yta. Dock, Nikolic sa, processen gick för snabbt för att den befintliga elektroniken skulle kunna upptäcka enskilda DNA-baser.

Det nya enhetskonceptet som föreslagits av UD-forskarna använder grafen nanoband - tunna remsor av grafen som är mindre än 10 nanometer breda - med en nanopor borrad i deras inre. Apotek, ingenjörer, materialvetare och fysiker har utvecklat olika metoder under de senaste tre åren för att tillverka nanoband med ett specifikt sicksackmönster av kolatomer längs deras kanter, sa Nikolic. Nanorribbons kan möjliggöra snabb och låg kostnad (mindre än $1, 000) DNA-sekvensering, han sa, på grund av de kvantmekaniskt genererade elektroniska strömmarna som flyter längs dessa kanter.

Sådan snabb och billig DNA-sekvensering skulle kunna inleda en era av personlig medicin, sa Nikolic.

"Vi använde kunskapen från flera år av teoretisk och beräkningsforskning om elektronisk transport i grafen för att öka storleken på detektionsströmmen i vår biosensor med tusen till miljoner gånger jämfört med andra nyligen övervägda enheter, " sa Nikolic. "För två år sedan, forskare skulle ha sagt till mig att vår enhet var omöjlig, men det finns så många människor som arbetar med grafen att ingenting är omöjligt längre.

"Varje gång fysiker tror att något är omöjligt, materialvetare eller kemister kommer till undsättning - och vice versa."

Nikolic sa att han och postdoktorn Kamal Saha har använt sina hemodlade massivt parallella beräkningskoder för att simulera driften av den föreslagna nanoelektroniska biosensorn från första principer, med hjälp av superdatorn Chimera som UD förvärvade med stöd från ett anslag från National Science Foundation.

"Detta projekt måste köras på 500-1, 000 processorer i flera månader kontinuerligt, ", sa han. "Vi kunde inte ha gjort det utan att UD Chimera blev fullt operativt i början av 2011."

Nikolic, Saha och Drndić har nyligen publicerat resultaten av denna forskning i en artikel i den prestigefyllda Nanobokstäver , en tidskrift med en impact factor på 12,219 publicerad av American Chemical Society. Kollegor, ledd av Drndić vid University of Pennsylvania, kommer nu att försöka tillverka biosensorerna i deras labb, styrs av simuleringarna som presenteras i artikeln. Nikolic sa att denna forskningssynergi kommer, i tur och ordning, möjliggör simuleringar av förbättrade enhetsdesigner.