Forskare har använt grafens exotiska egenskaper, ett en-atom-tjockt lager av kol, att fungera som filmen av ett otroligt känsligt kamerasystem för att visuellt kartlägga små elektriska fält i en vätska. Forskare hoppas att den nya metoden kommer att möjliggöra mer omfattande och exakt avbildning av de elektriska signalnäten i våra hjärtan och hjärnor.

Möjligheten att visuellt skildra styrkan och rörelsen hos mycket svaga elektriska fält kan också hjälpa till med utvecklingen av så kallade lab-on-a-chip-enheter som använder mycket små mängder vätska på en mikrochipliknande plattform för att diagnostisera sjukdom eller hjälp inom läkemedelsutveckling, till exempel, eller som automatiserar en rad andra biologiska och kemiska analyser.

Upplägget kan eventuellt anpassas för att avkänna eller fånga specifika kemikalier, för, och för studier av ljusbaserad elektronik (ett område som kallas optoelektronik).

Ett nytt sätt att visualisera elektriska fält

"Det här var en helt ny innovativ idé att grafen kan användas som ett material för att avkänna elektriska fält i en vätska, sa Jason Horng, en medförfattare till en studie publicerad 16 december Naturkommunikation som beskriver den första demonstrationen av detta grafenbaserade bildsystem. Horng är anslutet till Kavli Energy NanoSciences Institute, ett gemensamt institut vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley, och är postdoktor vid UC Berkeley.

Idén kom från ett samtal mellan Feng Wang, en fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning vars forskning fokuserar på kontroll av ljus-materia-interaktioner på nanoskala, och Bianxiao Cui, som leder ett forskargrupp vid Stanford University som specialiserat sig på studier av nervcellsignalering. Wang är också docent i fysik vid UC Berkeley, och Cui är docent i kemi vid Stanford University.

"Grundkonceptet var hur grafen kan användas som en mycket allmän och skalbar metod för att lösa mycket små förändringar i storleken, placera, och tidsmönster för ett lokalt elektriskt fält, såsom de elektriska impulser som produceras av en enda nervcell, "sa Halleh B. Balch, en medledande författare i verket. Balch är också ansluten till Kavli Energy NanoSciences Institute och är doktorand i fysik vid UC Berkeley.

"Ett av de enastående problemen med att studera ett stort nätverk av celler är att förstå hur information sprider sig mellan dem, Sa Balch.

Andra tekniker har utvecklats för att mäta elektriska signaler från små celler, även om dessa metoder kan vara svåra att skala upp till större matriser och i vissa fall inte kan spåra enskilda elektriska impulser till en specifik cell.

Också, Cui sa, "Denna nya metod stör inte celler på något sätt, som i grunden skiljer sig från befintliga metoder som använder antingen genetiska eller kemiska modifieringar av cellmembranet. "

Den nya plattformen borde lättare möjliggöra mätning av encelliga elektriska impulser som rör sig över nätverk som innehåller 100 eller fler levande celler, sa forskare.

Knacka på grafens ljusabsorberande egenskaper

Grafen, som består av ett bikakearrangemang av kolatomer, är fokus för intensiv FoU på grund av dess otroliga styrka, förmåga att effektivt leda el, hög grad av kemisk stabilitet, den hastighet med vilken elektroner kan röra sig över dess yta, och andra exotiska egenskaper. En del av denna forskning är inriktad på användningen av grafen som en komponent i datorkretsar och skärmar, i läkemedelsleveranssystem, och i solceller och batterier.

I den senaste studien, forskare använde först infrarött ljus som producerades vid Berkeley Labs Advanced Light Source för att förstå effekterna av ett elektriskt fält på grafens absorption av infrarött ljus.

I experimentet, de riktade en infraröd laser genom ett prisma till ett tunt lager som kallas en vågledare. Vågledaren var utformad för att exakt matcha grafens ljusabsorberande egenskaper så att allt ljus absorberades längs grafenskiktet i frånvaro av ett elektriskt fält.

Forskare avfyrade sedan små elektriska pulser i en flytande lösning ovanför grafenskiktet som mycket lätt störde grafenlagrets ljusabsorption, så att något ljus kan släppa ut på ett sätt som bär en exakt signatur av det elektriska fältet. Forskare fångade en sekvens av bilder av detta rymande ljus i tusendels-sekunders intervall, och dessa bilder gav en direkt visualisering av det elektriska fältets styrka och placering längs grafenens yta.

Miljondelar av en volt-känslighet

Den nya avbildningsplattformen-kallad CAGE för "Kritiskt kopplad vågledare-förstärkt grafen elektrisk fältavbildningsenhet"-visade sig vara känslig för spänningar på några mikrovolt (miljoner tiondelar av en volt). Detta kommer att göra det ultrakänsligt för de elektriska fälten mellan celler i nätverk av hjärtceller och nervceller, som kan sträcka sig från tiotals mikrovolts till några millivolt (tusendelar av en volt).

Forskare fann att de kunde bestämma platsen för ett elektriskt fält längs grafenarkets yta ner till tiotals mikron (miljondelar av en meter), och fånga dess blekningsstyrka i en sekvens av tidssteg åtskilda med så få som fem millisekunder, eller tusendelar av en sekund.

I en sekvens, forskare detaljerade positionen och spridningen, eller blekna, av ett lokalt elektriskt fält som genereras av en 10-tusendels-voltspuls under en period av cirka 240 millisekunder, med känslighet ner till cirka 100 miljoner av en volt.

Nästa upp:levande hjärtceller

Balch sa att det redan finns planer på att testa plattformarna med levande celler. "Vi arbetar med samarbetspartners för att testa detta med riktiga hjärtceller, "sa hon." Det finns flera potentiella tillämpningar för denna forskning inom hjärthälsa och läkemedelsscreening. "

Det finns också potential att använda andra atomiskt tunna material förutom grafen i bildinställningen, Hon sa.

"Den typ av elegans som ligger bakom detta system kommer från dess allmänhet, "Sade Balch." Det kan vara känsligt för allt som bär laddning. "