För första gången, ett team av forskare har lyckats med att exakt mäta och kontrollera tjockleken på en organisk förening som har bundits till ett grafenskikt. Detta kan göra att grafen kan användas som en känslig detektor för biologiska molekyler i framtiden.

Rent kol förekommer i många former. Förutom de klassiska konfigurationerna som finns i diamanter, grafit, och kol, det finns andra yngre exotiska kusiner som grafen. Dess struktur liknar en bikaka - ett sexkantigt nät med en kolatom i varje hörn - som bara är ett enda atomlager tjockt. Därav, den är i huvudsak tvådimensionell. Som ett resultat, grafen är extremt ledande, helt transparent, och ganska tålig både kemiskt och mekaniskt.

Grafen är inte särskilt selektivt

Det har länge varit känt att grafen också är fundamentalt lämpad för att detektera spår av organiska molekyler. Detta beror på att den elektriska ledningsförmågan hos grafen sjunker så snart främmande molekyler binder till den. Problemet, fastän, är att detta händer med nästan varje molekyl. Grafen är inte särskilt selektivt, vilket gör det mycket svårt att särskilja molekyler. Därför, den kan inte användas som sensor.

Nu, monteringsfästen för detektormolekyler fästa

Nu har ett team från HZB Institute for Silicon Photovoltaics hittat ett sätt att öka selektiviteten. De var framgångsrika med att elektrokemiskt aktivera grafen och förbereda det för att vara värd för molekyler som fungerar som selektiva bindningsställen. För att åstadkomma detta, para-maleimidofenylgrupper från en organisk lösning ympades på ytan av grafenet. Dessa organiska molekyler beter sig som monteringsfästen till vilka de selektiva detektormolekylerna kan fästas i nästa steg. "Tack vare dessa molekyler, grafenen kan nu användas för att detektera olika ämnen som liknar hur en nyckel passar ett lås", förklarar Dr Marc Gluba. "Lås"-molekylerna på ytan är mycket selektiva och absorberar endast de matchande "nyckel"-molekylerna.

Stora grafenytor vid HZB

Andra forskargrupper hade också genomfört experiment i denna linje. Dock, de hade bara små grafenflingor med diametrar i mikron tillgängliga för dem, så att kanteffekter dominerade. Under tiden, fysiker och kemister vid HZB producerade grafenytor flera kvadratcentimeter stora så att kanteffekter knappast spelar någon roll i jämförelse med ytprocesserna. Sedan, de överförde grafenskiktet till en mikrovåg av kvartskristall. Varje ökning av massan förändrar kvartskristallens oscillerande frekvens att även små mängder ända ner till enskilda molekylära lager kan mätas.

Exakt detektering och kontroll

"För första gången, vi kunde exakt och exakt detektera hur många molekyler som faktiskt ympades på grafenens yta", rapporterar juniorforskaren Felix Rösicke, som undersökte detta problem för sin doktorsavhandling. "Dessutom, vi kan exakt kontrollera hur många molekyler som binder till grafenet genom att justera en applicerad spänning", förklarar Dr Jörg Rappich från HZB Institute for Silicon Photovoltaics, Rösickes rådgivare.

"Förhoppningarna vi har på grafen är verkligen enorma", säger prof. Norbert Nickel, chef för forskargruppen. Till exempel, en sak du kan tänka dig skulle vara ett riktigt billigt "lab-on-a-chip" - du skulle applicera en enda droppe blod och omedelbart skaffa data för viktig medicinsk diagnostik.