Forskare från University of Minnesota College of Science and Engineering har hittat ännu en anmärkningsvärd användning för undermaterialet grafen - små elektroniska "pincetter" som kan ta tag i biomolekyler som flyter i vatten med otrolig effektivitet. Denna förmåga kan leda till ett revolutionerande handhållet diagnostiskt system för sjukdomar som kan köras på en smart telefon.

Grafen, ett material tillverkat av ett enda lager kolatomer, upptäcktes för mer än ett decennium sedan och har trollbundit forskare med sitt utbud av fantastiska egenskaper som har funnit användning i många nya applikationer från mikroelektronik till solceller.

Grafenpincetten som utvecklats vid University of Minnesota är mycket effektivare för att fånga partiklar jämfört med andra tekniker som använts tidigare på grund av det faktum att grafen är en enda atom tjock, mindre än 1 miljarddels meter.

Forskningsstudien publicerades idag i Naturkommunikation , en ledande tidskrift inom området nanomaterial och enheter.

Världens vassaste pincett

Den fysiska principen att pinceta eller fånga föremål i nanometerskala, känd som dielektrofores, har varit känt under lång tid och utövas vanligtvis genom att använda ett par metallelektroder. Ur synvinkeln att ta tag i molekyler, dock, metallelektroder är mycket trubbiga. De saknar helt enkelt "skärpan" för att plocka upp och kontrollera föremål i nanometerskala.

"Grafen är det tunnaste materialet som någonsin upptäckts, och det är denna egenskap som gör att vi kan göra dessa pincett så effektiva. Inget annat material kan komma i närheten, " sa forskargruppsledaren Sang-Hyun Oh, en Sanford P. Bordeau professor vid University of Minnesotas avdelning för elektro- och datorteknik. "Att bygga en effektiv elektronisk pincett för att få tag i biomolekyler, i grund och botten måste vi skapa miniatyriserade blixtstänger och koncentrera enorm mängd elektrisk flöde på den skarpa spetsen. Kanterna på grafen är de vassaste blixtstången."

Teamet visade också att grafenpincetten kunde användas för ett brett spektrum av fysiska och biologiska tillämpningar genom att fånga halvledarnanokristaller, nanodiamantpartiklar, och även DNA-molekyler. Normalt skulle denna typ av infångning kräva höga spänningar, begränsa det till en laboratoriemiljö, men grafenpincett kan fånga små DNA-molekyler på runt 1 volt, vilket innebär att detta kan fungera på bärbara enheter som mobiltelefoner.

Genom att använda University of Minnesotas toppmoderna nanotillverkningsanläggningar vid Minnesota Nano Center, elektro- och datateknik Professor Steven Koesters team tillverkade grafenpincettarna genom att skapa en sandwichstruktur där ett tunt isoleringsmaterial som kallas hafniumdioxid är inklämt mellan en metallelektrod på ena sidan och grafen på den andra. Hafniumdioxid är ett material som är vanligt förekommande i dagens avancerade mikrochips.

"En av de fantastiska sakerna med grafen är att det är kompatibelt med standardbearbetningsverktyg inom halvledarindustrin, vilket kommer att göra det mycket lättare att kommersialisera dessa enheter i framtiden, sade Koester, som ledde arbetet med att tillverka grafenanordningarna.

"Eftersom vi är de första att demonstrera sådan lågeffekts fångst av biomolekyler med grafenpincett, mer arbete återstår att göra för att fastställa de teoretiska gränserna för en helt optimerad enhet, sa Avijit Barik, en doktorand i el- och datorteknik vid University of Minnesota och huvudförfattare till studien. "För denna första demonstration, vi har använt sofistikerade laboratorieverktyg som ett fluorescensmikroskop och elektroniska instrument. Vårt slutmål är att miniatyrisera hela apparaten till ett enda mikrochip som styrs av en mobiltelefon."

Pincett som kan "känna"

Ett annat spännande perspektiv för denna teknik som skiljer grafenpincett från metallbaserade enheter är att grafen också kan "känna" de fångade biomolekylerna. Med andra ord, pincetten kan användas som biosensorer med utsökt känslighet som kan visas med enkla elektroniska tekniker.

"Grafen är ett extremt mångsidigt material, " Sa Koester. "Den gör fantastiska transistorer och fotodetektorer, och har potential för ljusemission och andra nya biosensoranordningar. Genom att lägga till förmågan att snabbt fånga och känna av molekyler på grafen, vi kan designa en idealisk lågeffektelektronikplattform för en ny typ av handhållen biosensor."

Åh håller med om att möjligheterna är oändliga.

"Förutom grafen, vi kan använda ett stort antal andra tvådimensionella material för att bygga atomärt vassa pincett i kombination med ovanliga optiska eller elektroniska egenskaper, "sa Oh." Det är verkligen spännande att tänka på atomiskt skarpa pincetter som kan användas för att fälla, känsla, och frigör biomolekyler elektroniskt. Detta kan ha en enorm potential för diagnostisk behandling, vilket är vårt yttersta mål för denna kraftfulla enhet."

Förutom Oh, Koester, och Barik, Andra forskare i teamet inkluderar University of Minnesota Department of Electrical and Computer Engineering Assistant Professor Tony Low, doktorand Yao Zhang, och postdoktorn Roberto Grassi, liksom professor Joshua Edel och forskningsassistent Binoy Paulose Nadappuram från Imperial College London.

Forskningen vid University of Minnesota finansierades främst av National Science Foundation och Minnesota Partnership for Biotechnology and Medical Genomics, ett unikt samarbete mellan University of Minnesota, Mayo Clinic, och delstaten Minnesota.