Grafen nanorribbons (GNR) böjs och vrids lätt i lösning, gör dem anpassningsbara för biologiska användningar som DNA-analys, läkemedelstillförsel och biomimetiska tillämpningar, enligt forskare vid Rice University.

Att känna till detaljerna om hur GNR beter sig i en lösning kommer att hjälpa till att göra dem lämpliga för bred användning i biomimetik, enligt risfysikern Ching-Hwa Kiang, vars labb använde sin unika kapacitet för att undersöka material i nanoskala som celler och proteiner i våta miljöer. Biomimetiska material är de som imiterar formerna och egenskaperna hos naturliga material.

Forskningen ledd av nyligen utexaminerade Rice Sithara Wijeratne, nu postdoktor vid Harvard University, visas i tidskriften Nature Vetenskapliga rapporter .

Grafen nanoband kan vara tusentals gånger längre än de är breda. De kan produceras i bulk genom att kemiskt "packa upp" kolnanorör, en process som uppfanns av Rice kemist och medförfattare James Tour och hans labb.

Deras storlek betyder att de kan arbeta på skalan av biologiska komponenter som proteiner och DNA, sa Kiang. "Vi studerar de mekaniska egenskaperna hos alla olika typer av material, från proteiner till celler, men lite annorlunda än hur andra gör, " sa hon. "Vi gillar att se hur material beter sig i lösning, för det är där biologiska saker finns. "Kiang är en pionjär när det gäller att utveckla metoder för att undersöka proteintillstånd i proteiner när de fälls ut och utvecklas.

Hon sa att Tour föreslog att hennes labb skulle ta en titt på de mekaniska egenskaperna hos GNR. "Det är lite extra arbete att studera dessa saker i lösning istället för torrt, men det är vår specialitet, " Hon sa.

Nanoribbons är kända för att tillföra hållfasthet men inte vikt till solid-state-kompositer, som cykelramar och tennisracketar, och bildande av en elektriskt aktiv matris. Ett nyligen genomfört Rice-projekt infunderade dem i en effektiv avisningsbeläggning för flygplan.

Men i en piggare miljö, deras förmåga att anpassa sig till ytor, bära ström och stärka kompositer kan också vara värdefullt.

"Det visar sig att grafen beter sig ganska bra, något liknande andra biologiska material. Men det intressanta är att det beter sig annorlunda i en lösning än det gör i luft, " sa hon. Forskarna fann att som DNA och proteiner, nanorband i lösning bildar naturligt veck och öglor, men kan också bilda helikoider, rynkor och spiraler.

Kiang, Wijeratne och Jingqiang Li, en medförfattare och student i Kiang-labbet, använde atomkraftsmikroskopi för att testa deras egenskaper. Atomkraftsmikroskopi kan inte bara samla in högupplösta bilder utan också ta känsliga kraftmätningar av nanomaterial genom att dra i dem. Forskarna undersökte GNR och deras prekursorer, nanorband av grafenoxid.

Forskarna upptäckte att alla nanoribon blir stela under stress, men deras styvhet ökar när oxidmolekyler tas bort för att förvandla grafenoxidnanoband till GNR. De föreslog att denna förmåga att justera deras styvhet skulle hjälpa till med design och tillverkning av GNR-biomimetiska gränssnitt.

"Grafen- och grafenoxidmaterial kan funktionaliseras (eller modifieras) för att integreras med olika biologiska system, såsom DNA, protein och till och med celler, "Kiang sa." Dessa har förverkligats i biologiska enheter, biomolekyldetektering och molekylär medicin. Känsligheten hos grafenbioenheter kan förbättras genom att använda smala grafenmaterial som nanoband."

Wijeratne noterade att grafen nanoband redan testas för användning i DNA-sekvensering, där DNA-strängar dras genom en nanopor i ett elektrifierat material. Baskomponenterna i DNA påverkar det elektriska fältet, som kan läsas för att identifiera baserna.

Forskarna såg nanoribbons biokompatibilitet som potentiellt användbar för sensorer som kunde resa genom kroppen och rapportera om vad de hittar, inte olikt Tour-labbets nanoreporters som hämtar information från oljekällor.

Ytterligare studier kommer att fokusera på effekten av nanorbandens bredd, som sträcker sig från 10 till 100 nanometer, på sina fastigheter.