Usando il DNA del salmone, i ricercatori della Corea del Sud sperano di realizzare dispositivi biomedici e fotonici migliori basati su film sottili organici. Spesso utilizzato nei trattamenti contro il cancro e nel monitoraggio della salute, i film sottili hanno tutte le capacità dei dispositivi a base di silicio con il possibile vantaggio aggiuntivo di essere più compatibili con i tessuti viventi.

Un film sottile è proprio quello che sembra, uno strato di materiale spesso solo nanometri o micrometri che può essere utilizzato per incanalare la luce. Se il film è un dielettrico, cioè un isolante come il vetro, può essere utilizzato senza preoccuparsi che possa condurre elettricità.

"Il DNA è il materiale organico più abbondante, ed è un dielettrico trasparente, paragonabile alla silice, " disse Kyunghwan "Ken" Oh, del Laboratorio di Fisica dei Dispositivi Fotonici presso la Yonsei University, Seul, Corea del Sud. Nel diario Materiali ottici Express , dalla Società Ottica (OSA), Oh e i suoi colleghi espongono il loro metodo per fabbricare le pellicole sottili in un modo che dia loro un controllo preciso sulle proprietà ottiche e termiche del materiale.

Come base per il vetro di silice che costituisce le fibre ottiche, il silicio è stato a lungo un materiale dominante nei dispositivi fotonici inorganici perché è facilmente disponibile e facile da lavorare dal punto di vista dei materiali. Oh sostiene che il DNA può svolgere lo stesso ruolo nei dispositivi fotonici organici perché può essere trovato in tutto il mondo vivente. Potrebbe, ad esempio, essere utilizzato per realizzare guide d'onda simili alle fibre di silice per trasportare la luce all'interno del corpo. I dispositivi organici dovrebbero anche essere facili da fabbricare, più flessibile del silicio e rispettoso dell'ambiente.

"Una freccia più tagliente"

Una proprietà chiave dei materiali utilizzati nei dispositivi fotonici è l'indice di rifrazione, che determina la direzione della luce. Una fibra ottica richiede un nucleo con un indice, avvolto in un rivestimento con un indice sufficientemente diverso in modo che quando la luce colpisce l'interfaccia tra nucleo e rivestimento, è costretto a tornare nel nucleo invece di fuoriuscire. I produttori di fibra ottica non hanno solo bisogno di materiale con due diversi indici di rifrazione, hanno bisogno di controllare l'entità di tale differenza per ottenere gli effetti desiderati.

Nel mettere a punto un metodo per utilizzare il DNA per creare film sottili che potrebbero essere utilizzati in dispositivi fotonici, Il team di Oh è stato in grado di ottenere una gamma di indici di rifrazione quattro volte maggiore di quella disponibile nel silicio. Con una maggiore differenza di indice tra nucleo e rivestimento, possono produrre fibre ottiche molto più sottili, a partire da 3 micron di diametro, rispetto a un minimo di 10 in silicio. Ciò consente una dimensione dello spot più piccola per la luce che esce dalla fibra, che potrebbe essere utile in applicazioni che devono puntare con attenzione la luce. "Se hai un piccolo obiettivo, dovresti avere una freccia più affilata, " disse Ah.

Le potenziali applicazioni potrebbero includere la terapia fotodinamica, dove a un malato di cancro viene somministrato un farmaco o altra sostanza che si lega alle cellule di un tumore e la luce attiva il farmaco e distrugge le cellule tumorali, lasciando intatto il tessuto sano. I film possono essere utili anche in optogenetica, in cui la luce viene utilizzata per controllare l'attività di cellule cerebrali specifiche, o per realizzare sensori per misurare la pressione o il contenuto di ossigeno della pressione sanguigna che potrebbero essere indossati per lungo tempo senza causare irritazioni perché sono organici.

Alle prese con risultati incoerenti

Per fare un film sottile, che può essere utilizzato come base per dispositivi fotonici, i ricercatori devono dissolvere il DNA in acqua, e poi sciogliere quella miscela in un solvente organico. Il liquido viene posto su una superficie, che gira in modo che il materiale si diffonda in modo uniforme. Il solvente poi evapora per lasciare il film dietro. Perché il DNA non si dissolve facilmente, i ricercatori lo mescolano prima con una soluzione di acqua e cetiltrimetilammonio (CTMA), un tensioattivo simile al sapone. La miscela produce un precipitato, che può quindi essere disciolto nel solvente e sottoposto a spin-coating.

Mentre i ricercatori hanno utilizzato questa procedura per diversi anni, i loro risultati sono stati incoerenti. "Abbiamo notato che, a seconda delle carte, l'indice di rifrazione e le proprietà del materiale variavano in un'ampia gamma, quindi eravamo molto curiosi a riguardo, " ha detto Oh. "E abbiamo scoperto che il processo di fabbricazione era un po' diverso da un gruppo di ricerca all'altro."

Controllo del processo

Tre studenti laureati nel laboratorio di Oh:Woohyun Jung, Hwiseok Jun e Seongjin Hong—hanno scoperto che controllando la quantità di acqua e CTMA nella loro miscela, potrebbero mettere a punto l'indice di rifrazione del film sottile. I test hanno rivelato diverse miscele, a seconda che abbiano aggiunto goccioline di acqua e DNA nella soluzione CTMA, o acqua e CTMA nel bagno del DNA. Oh descrive il filamento di DNA come una corda, con siti lungo di essa a cui l'MC può legarsi. "Se lasci cadere questa corda in un bagno di CTMA, ci sono tonnellate di MC disponibili, così puoi immergere la corda con la domanda di MC, " disse Oh. D'altra parte, se fai cadere CTMA su un grande lotto di DNA, la "corda" potrebbe non bagnarsi completamente; questo è, ci sono aree di DNA senza CTMA allegata.

Più acqua conteneva la miscela, meno MC c'era, e viceversa. Controllando attentamente la quantità di entrambi, il team potrebbe raggiungere l'indice di rifrazione desiderato. Lo stesso approccio ha fornito il controllo sulle proprietà termiche del film, consentendo ai ricercatori di controllare quanto è cambiato l'indice di rifrazione quando il film è stato riscaldato o raffreddato. Ciò potrebbe consentire di utilizzare il film come sensore di temperatura, poiché i cambiamenti nella luce che lo attraversa sarebbero collegati ai cambiamenti di temperatura.

Il laboratorio di Oh sta anche esplorando altri metodi per controllare le proprietà ottiche del DNA. La sua speranza è quella di sviluppare una serie di principi e processi fondamentali che consentano ai produttori di costruire un'ampia gamma di dispositivi ottici, inclusa una nuova generazione di sensori indossabili.