Från vänster till höger, En flaska med grafit (Gr), som vad du skulle hitta i en vanlig penna; en injektionsflaska med grafenoxid (GO), produceras genom att exfoliera Gr - fälla skikten av materialet - och blanda det med bakterien Shewanella; en flaska med den resulterande produkten - grafenmaterial (mrGO); och en flaska med grafenmaterial som har framställts kemiskt (crGO). Grafenmaterialen som produceras av Anne Meyers labb är betydligt tunnare än de grafenmaterial som produceras kemiskt. Kredit:Delft University of Technology / Benjamin Lehner
För att skapa nya och effektivare datorer, medicinska apparater, och andra avancerade teknologier, forskare vänder sig till nanomaterial:material som manipuleras i skalan av atomer eller molekyler som uppvisar unika egenskaper.
Grafen – en flinga av kol som är så tunn som en enda senare atom – är ett revolutionerande nanomaterial på grund av dess förmåga att enkelt leda elektricitet, samt dess extraordinära mekaniska styrka och flexibilitet. Dock, ett stort hinder för att använda det för vardagliga applikationer är att producera grafen i stor skala, samtidigt som de behåller sina fantastiska egenskaper.
I en artikel publicerad i tidskriften ChemOpen , Anne S. Meyer, en docent i biologi vid University of Rochester, och hennes kollegor vid Delft University of Technology i Nederländerna, beskriv ett sätt att övervinna denna barriär. Forskarna beskriver sin metod för att producera grafenmaterial med en ny teknik:att blanda oxiderad grafit med bakterier. Deras metod är en mer kostnadseffektiv, tids sparande, och miljövänligt sätt att producera grafenmaterial jämfört med de som produceras kemiskt, och skulle kunna leda till skapandet av innovativ datorteknik och medicinsk utrustning.
Grafen utvinns ur grafit, materialet som finns i en vanlig penna. På exakt en atom tjock, grafen är det tunnaste – men starkaste – tvådimensionella material som forskare känner till. Forskare från University of Manchester i Storbritannien tilldelades 2010 års Nobelpris i fysik för sin upptäckt av grafen; dock, deras metod att använda tejp för att göra grafen gav bara små mängder av materialet.
"För riktiga applikationer behöver du stora mängder, ", säger Meyer. "Att producera dessa bulkmängder är utmanande och resulterar vanligtvis i grafen som är tjockare och mindre ren. Det var här vårt arbete kom in."
Anne Meyer, professor i biologi, och hennes kollegor har utvecklat en ny metod för att producera grafen i labbet. Kredit:University of Rochester / J. Adam Fenster
För att producera större mängder grafenmaterial, Meyer och hennes kollegor började med en flaska med grafit. De exfolierade grafiten – släppte av materialskikten – för att producera grafenoxid (GO), som de sedan blandade med bakterien Shewanella. De låter bägaren med bakterier och prekursormaterial sitta över natten, under vilken tid bakterierna reducerade GO till ett grafenmaterial.
"Grafenoxid är lätt att producera, men den är inte särskilt ledande på grund av alla syregrupperna i den, Meyer säger. "Bakterierna tar bort de flesta syregrupperna, vilket gör det till ett ledande material."
Medan det bakterieproducerade grafenmaterialet som skapas i Meyers labb är ledande, det är också tunnare och mer stabilt än grafen som produceras kemiskt. Den kan dessutom förvaras under längre tid, vilket gör den väl lämpad för en mängd olika applikationer, inklusive fälteffekttransistor (FET) biosensorer och ledande bläck. FET-biosensorer är enheter som detekterar biologiska molekyler och kan användas för att utföra, till exempel, glukosövervakning i realtid för diabetiker.
"När biologiska molekyler binder till enheten, de ändrar ytans konduktans, skickar en signal om att molekylen är närvarande, " säger Meyer. "För att göra en bra FET-biosensor vill du ha ett material som är mycket ledande men också kan modifieras för att binda till specifika molekyler." Grafenoxid som har reducerats är ett idealiskt material eftersom det är lätt och mycket ledande, men det behåller vanligtvis ett litet antal syregrupper som kan användas för att binda till molekylerna av intresse.
Det bakteriellt producerade grafenmaterialet kan också vara grunden för ledande bläck, vilket kan, i tur och ordning, användas för att göra snabbare och effektivare datortangentbord, kretskort, eller små kablar som de som används för att avfrosta bilvindrutor. Att använda ledande bläck är ett "enklare, mer ekonomiskt sätt att producera elektriska kretsar, jämfört med traditionella tekniker, ", säger Meyer. Konduktivt bläck kan också användas för att producera elektriska kretsar ovanpå otraditionella material som tyg eller papper.
"Vårt bakteriellt producerade grafenmaterial kommer att leda till mycket bättre lämplighet för produktutveckling, " säger Meyer. "Vi kunde till och med utveckla en teknik för "bakteriell litografi" för att skapa grafenmaterial som bara var ledande på ena sidan, som kan leda till utveckling av nya, avancerade nanokompositmaterial."
