Flytta dig över, grafen. Det finns ett nytt, förbättrat tvådimensionellt material i labbet. Borofen, den atomärt tunna versionen av bor som syntetiserades första gången 2015, är mer ledande, tunnare, lättare, starkare och mer flexibel än grafen, 2D-versionen av kol.

Nu har forskare vid Penn State gjort materialet potentiellt mer användbart genom att förmedla kiralitet - eller handenhet - på det, vilket kan göra det till avancerade sensorer och implanterbara medicinska apparater. Kiraliteten, inducerad via en metod som aldrig tidigare använts på borofen, gör att materialet kan interagera på unika sätt med olika biologiska enheter såsom celler och proteinprekursorer.

Teamet, ledd av Dipanjan Pan, Dorothy Foehr Huck &J. Lloyd Huck ordförande professor i nanomedicin och professor i materialvetenskap och teknik och kärnteknik, publicerade sitt arbete – det första i sitt slag, sa de – i ACS Nano .

"Borophene är ett mycket intressant material, eftersom det påminner mycket om kol inklusive dess atomvikt och elektronstruktur men med mer anmärkningsvärda egenskaper. Forskare börjar bara utforska dess tillämpningar," sa Pan.

"Såvitt vi vet är detta den första studien som förstår de biologiska interaktionerna av borofen och den första rapporten om att ge kiralitet på borofenstrukturer."

Chiralitet hänvisar till liknande men inte identisk kroppslighet, som vänster och höger händer. I molekyler kan kiralitet göra att biologiska eller kemiska enheter existerar i två versioner som inte kan matchas perfekt, som i en vänster och höger vante. De kan spegla varandra exakt, men en vänster vante kommer aldrig att passa höger hand lika bra som den passar vänster hand.

Borofen är strukturellt polymorft, vilket innebär att dess boratomer kan ordnas i olika konfigurationer för att ge det olika former och egenskaper, ungefär som hur samma uppsättning legoklossar kan byggas in i olika strukturer. Detta ger forskare möjligheten att "justera" borofen för att ge det olika egenskaper, inklusive kiralitet.

"Eftersom detta material har en anmärkningsvärd potential som ett substrat för implanterbara sensorer, ville vi lära oss om deras beteende när de exponeras för celler," sa Pan. "Vår studie, för första gången någonsin, visade att olika polymorfa strukturer av borofen interagerar med celler på olika sätt och deras cellulära internaliseringsvägar dikteras unikt av deras strukturer."

Forskarna syntetiserade borofenblodplättar – liknande de cellulära fragment som finns i blodet – med hjälp av lösningstillståndssyntes, vilket innebär att en pulveriserad version av materialet i en vätska exponeras för en eller flera yttre faktorer, såsom värme eller tryck, tills de kombineras till önskad produkt.

"Vi gjorde borofenen genom att utsätta borpulvret för högenergiljudvågor och blandade sedan dessa blodplättar med olika aminosyror i en vätska för att ge kiraliteten," sa Pan. "Under denna process märkte vi att svavelatomerna i aminosyrorna föredrog att hålla fast vid borofenet mer än aminosyrornas kväveatomer gjorde."

Forskarna fann att vissa aminosyror, som cystein, skulle binda till borofen på olika platser, beroende på deras kirala handenhet. Forskarna exponerade de kiraliserade borofenplättarna för däggdjursceller i en skål och observerade att deras handlighet förändrade hur de interagerade med cellmembran och kom in i celler.

Enligt Pan kan detta fynd informera framtida tillämpningar, såsom utveckling av högupplöst medicinsk bildbehandling med kontrast som exakt kan spåra cellinteraktioner eller bättre läkemedelsleverans med exakta material-cell-interaktioner. Kritiskt, sa han, att förstå hur materialet interagerar med celler – och kontrollera dessa interaktioner – kan en dag leda till säkrare, effektivare implanterbara medicinska apparater.

"Borophenes unika struktur möjliggör effektiv magnetisk och elektronisk kontroll," sa Pan och noterade att materialet kan ha ytterligare tillämpningar inom hälsovård, hållbar energi och mer. "Denna studie var bara början. Vi har flera projekt på gång för att utveckla biosensorer, läkemedelstillförselsystem och bildbehandlingsapplikationer för borofen."

Mer information: Teresa Aditya et al, Chiral Induction in 2D Borophene Nanoplatelets through Stereolective Boron-Sulfur Conjugation, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.4c01792

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av Pennsylvania State University