Muchas áreas de investigación fundamental están interesadas en el grafeno debido a sus características excepcionales. Está hecho de una capa de átomos de carbono, lo que la hace ligera y resistente, y es un excelente conductor térmico y eléctrico. A pesar de su potencial aparentemente ilimitado, sin embargo, hasta la fecha se han demostrado pocas aplicaciones. Científicos del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos (BIOS) de la EPFL junto con investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, España) han añadido ahora otro. Han aprovechado las propiedades ópticas y electrónicas únicas del grafeno para desarrollar un sensor de moléculas altamente sensible reconfigurable.

Los resultados se describen en un artículo que aparece en la última edición de la revista. Ciencias .

Enfocar la luz para mejorar la detección

Los investigadores utilizaron el grafeno para mejorar un conocido método de detección de moléculas:la espectroscopia de absorción infrarroja. En el método estándar, la luz se usa para excitar las moléculas, que vibran de forma diferente según su naturaleza. Se puede comparar con una cuerda de guitarra, que emite diferentes sonidos dependiendo de su duración. En virtud de esta vibración, las moléculas revelan su presencia e incluso su identidad. Esta "firma" se puede "leer" en la luz reflejada.

Este método no es efectivo, sin embargo, en la detección de moléculas de tamaño nanométrico. La longitud de onda del fotón infrarrojo dirigido a una molécula es de alrededor de 6 micrones (6, 000 nanómetros - 0,006 milímetros), mientras que el objetivo mide solo unos pocos nanómetros (aproximadamente 0,000001 mm). Es muy difícil detectar la vibración de una molécula tan pequeña en la luz reflejada.

Ahí es donde entra el grafeno. Si se le da la geometría correcta, el grafeno es capaz de enfocar la luz en un punto preciso de su superficie y "escuchar" la vibración de una molécula nanométrica que se le adhiere. "Primero modelamos nanoestructuras en la superficie del grafeno bombardeándola con haces de electrones y grabándola con iones de oxígeno, "dijo Daniel Rodrigo, coautor de la publicación. "Cuando llega la luz, los electrones en las nanoestructuras de grafeno comienzan a oscilar. Este fenómeno, conocido como 'resonancia de plasmón de superficie localizada, 'sirve para concentrar la luz en puntos diminutos, que son comparables con las dimensiones de las moléculas diana. Entonces es posible detectar estructuras nanométricas ".

Reconfigurar el grafeno en tiempo real para ver la estructura de la molécula

Hay algo mas. Además de identificar la presencia de moléculas nanométricas, este proceso también puede revelar la naturaleza de los enlaces que conectan los átomos que componen la molécula.

Cuando una molécula vibra, no emite un solo tipo de "sonido". Produce toda una gama de vibraciones, que son generados por los enlaces que conectan los diferentes átomos. Volviendo al ejemplo de la guitarra:cada cuerda vibra de forma diferente y juntas forman un instrumento musical. Estos matices proporcionan información sobre la naturaleza de cada enlace y sobre la salud de toda la molécula. "Estas vibraciones actúan como una huella digital que nos permite identificar la molécula; como las proteínas, e incluso saber su estado de salud ”, dijo Odeta Limaj, otro coautor de la publicación.

Para captar el sonido que desprende cada una de las cuerdas, tiene que ser posible identificar toda una gama de frecuencias. Y eso es algo que puede hacer el grafeno. Los investigadores "sintonizaron" el grafeno a diferentes frecuencias aplicando voltaje, lo cual no es posible con sensores de corriente. Hacer que los electrones del grafeno oscilen de diferentes formas permite "leer" todas las vibraciones de la molécula en su superficie. "Probamos este método en proteínas que unimos al grafeno. Nos dio una imagen completa de la molécula, "dijo Hatice Altug.

Un gran paso más cerca del uso del grafeno para la detección de moléculas

El nuevo proceso basado en grafeno representa un gran paso adelante para los investigadores, por varias razones. Primero, este método simple muestra que es posible realizar un análisis complejo usando un solo dispositivo, mientras que normalmente requiere muchos diferentes. Y todo ello sin estresar ni modificar la muestra biológica. Segundo, muestra el increíble potencial del grafeno en el área de detección. "Hay muchas aplicaciones posibles, ", dijo Altug." Nos centramos en las biomoléculas, pero el método también debería funcionar para polímeros, y muchas otras sustancias, " ella añadió.