Investigadores de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota han encontrado otro uso notable del maravilloso material grafeno:diminutas "pinzas" electrónicas que pueden agarrar biomoléculas que flotan en el agua con una eficiencia increíble. Esta capacidad podría conducir a un revolucionario sistema portátil de diagnóstico de enfermedades que podría ejecutarse en un teléfono inteligente.

Grafeno un material hecho de una sola capa de átomos de carbono, fue descubierto hace más de una década y ha cautivado a los investigadores con su gama de propiedades asombrosas que han encontrado usos en muchas aplicaciones nuevas, desde la microelectrónica hasta las células solares.

Las pinzas de grafeno desarrolladas en la Universidad de Minnesota son mucho más efectivas para atrapar partículas en comparación con otras técnicas utilizadas en el pasado debido al hecho de que el grafeno tiene un solo átomo de espesor. menos de la mil millonésima parte de un metro.

El estudio de investigación se publicó hoy en Comunicaciones de la naturaleza , una revista líder en el campo de los nanomateriales y dispositivos.

Las pinzas más afiladas del mundo

El principio físico de pinzar o atrapar objetos de escala nanométrica, conocido como dielectroforesis, se conoce desde hace mucho tiempo y normalmente se practica mediante el uso de un par de electrodos metálicos. Desde el punto de vista de agarrar moléculas, sin embargo, Los electrodos metálicos son muy desafilados. Simplemente carecen de la "nitidez" para captar y controlar objetos de escala nanométrica.

"El grafeno es el material más delgado jamás descubierto, y es esta propiedad la que nos permite hacer que estas pinzas sean tan eficientes. Ningún otro material puede acercarse, "dijo el líder del equipo de investigación Sang-Hyun Oh, un profesor Sanford P. Bordeau en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. "Para construir pinzas electrónicas eficientes para agarrar biomoléculas, Básicamente, necesitamos crear pararrayos miniaturizados y concentrar una gran cantidad de flujo eléctrico en la punta afilada. Los bordes del grafeno son los pararrayos más afilados ".

El equipo también demostró que las pinzas de grafeno podrían usarse para una amplia gama de aplicaciones físicas y biológicas atrapando nanocristales semiconductores. partículas de nanodiamantes, e incluso moléculas de ADN. Normalmente, este tipo de atrapamiento requeriría altos voltajes, restringirlo a un entorno de laboratorio, pero las pinzas de grafeno pueden atrapar pequeñas moléculas de ADN de alrededor de 1 voltio, lo que significa que esto podría funcionar en dispositivos portátiles como teléfonos móviles.

Utilizando las instalaciones de nanofabricación de última generación de la Universidad de Minnesota en el Minnesota Nano Center, El equipo del profesor de ingeniería eléctrica e informática Steven Koester hizo las pinzas de grafeno mediante la creación de una estructura en sándwich donde un material aislante delgado llamado dióxido de hafnio se intercala entre un electrodo de metal en un lado y grafeno en el otro. El dióxido de hafnio es un material que se usa comúnmente en los microchips avanzados de hoy.

"Una de las mejores cosas del grafeno es que es compatible con las herramientas de procesamiento estándar de la industria de los semiconductores, lo que facilitará la comercialización de estos dispositivos en el futuro, "dijo Koester, quien lideró el esfuerzo para fabricar los dispositivos de grafeno.

"Dado que somos los primeros en demostrar una captura de biomoléculas de baja potencia utilizando pinzas de grafeno, aún queda trabajo por hacer para determinar los límites teóricos de un dispositivo totalmente optimizado, "dijo Avijit Barik, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Minnesota y autor principal del estudio. "Para esta demostración inicial, hemos utilizado herramientas de laboratorio sofisticadas como un microscopio de fluorescencia e instrumentos electrónicos. Nuestro objetivo final es miniaturizar todo el aparato en un solo microchip que es operado por un teléfono móvil ".

Pinzas que pueden 'sentir'

Otra perspectiva interesante de esta tecnología que separa las pinzas de grafeno de los dispositivos metálicos es que el grafeno también puede "sentir" las biomoléculas atrapadas. En otras palabras, las pinzas se pueden utilizar como biosensores con una sensibilidad exquisita que se pueden mostrar mediante técnicas electrónicas sencillas.

"El grafeno es un material extremadamente versátil, ", Dijo Koester." Hace excelentes transistores y fotodetectores, y tiene el potencial de emisión de luz y otros dispositivos biosensores novedosos. Al agregar la capacidad de captar y detectar rápidamente moléculas en grafeno, podemos diseñar una plataforma electrónica de bajo consumo ideal para un nuevo tipo de biosensor portátil ".

Oh está de acuerdo en que las posibilidades son infinitas.

"Además del grafeno, Podemos utilizar una gran variedad de otros materiales bidimensionales para construir pinzas afiladas atómicamente combinadas con propiedades ópticas o electrónicas inusuales. "dijo Oh." Es realmente emocionante pensar en pinzas afiladas atómicamente que se pueden usar para atrapar, sentido, y liberar biomoléculas electrónicamente. Esto podría tener un gran potencial para los diagnósticos en el punto de atención, que es nuestro objetivo final para este poderoso dispositivo ".

Además de Oh, Koester, y Barik, Otros investigadores del equipo incluyen al profesor asistente Tony Low del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota, estudiante de posgrado Yao Zhang, e investigador postdoctoral Roberto Grassi, así como el profesor Joshua Edel y el investigador asociado Binoy Paulose Nadappuram del Imperial College London.

La investigación de la Universidad de Minnesota fue financiada principalmente por la National Science Foundation y la Asociación de Minnesota para la Biotecnología y la Genómica Médica. una empresa de colaboración única entre la Universidad de Minnesota, Mayo Clinic, y el estado de Minnesota.