9 settembre 2010 - In un articolo pubblicato come storia di copertina del 9 settembre, 2010 Natura , ricercatori dell'Università di Harvard e del MIT hanno dimostrato che il grafene, un foglio planare sorprendentemente robusto di carbonio spesso solo un atomo, può agire come una membrana artificiale che separa due serbatoi di liquidi.

Perforando un minuscolo poro di pochi nanometri di diametro, chiamato nanoporo, nella membrana di grafene, sono stati in grado di misurare lo scambio di ioni attraverso il poro e hanno dimostrato che una lunga molecola di DNA può essere tirata attraverso il nanoporo di grafene proprio come un filo viene fatto passare attraverso la cruna di un ago.

"Misurando il flusso di ioni che passano attraverso un nanoporo perforato nel grafene abbiamo dimostrato che lo spessore del grafene immerso nel liquido è inferiore a 1 nm, o molte volte più sottile della sottilissima membrana che separa una singola cellula animale o umana dall'ambiente circostante, " dice l'autore principale Slaven Garaj, un Research Associate presso il Dipartimento di Fisica di Harvard. "Questo rende il grafene la membrana più sottile in grado di separare due compartimenti liquidi l'uno dall'altro. Lo spessore della membrana è stato determinato dalla sua interazione con molecole d'acqua e ioni".

Grafene, il materiale più resistente conosciuto, ha altri vantaggi. Più importante, è elettricamente conduttivo.

"Sebbene la membrana impedisca agli ioni e all'acqua di fluire attraverso di essa, la membrana di grafene può attrarre diversi ioni e altre sostanze chimiche sulle sue due superfici atomicamente vicine. Ciò influisce sulla conduttività elettrica del grafene e potrebbe essere utilizzato per il rilevamento di sostanze chimiche, ", afferma la co-autrice Jene Golovchenko, Rumford Professor of Physics e Gordon McKay Professor of Applied Physics ad Harvard, il cui lavoro pionieristico ha avviato il campo dei nanopori artificiali nelle membrane allo stato solido.

"Credo che lo spessore atomico del grafene lo renda un nuovo dispositivo elettrico che offrirà nuove intuizioni sulla fisica dei processi di superficie e porterà a un'ampia gamma di applicazioni pratiche, compreso il rilevamento chimico e il rilevamento di singole molecole".

Negli ultimi anni il grafene ha stupito la comunità scientifica con le sue numerose proprietà uniche e potenziali applicazioni, che vanno dall'elettronica e dalla ricerca sull'energia solare alle applicazioni mediche.

Jing Kong, anche un coautore sulla carta, e i suoi colleghi del MIT hanno sviluppato per la prima volta un metodo per la crescita su larga scala di film di grafene che è stato utilizzato nel lavoro.

Il grafene è stato teso su un telaio a base di silicio, e inserito tra due serbatoi di liquido separati. Una tensione elettrica applicata tra i serbatoi ha spinto gli ioni verso la membrana del grafene. Quando un nanoporo è stato perforato attraverso la membrana, questa tensione incanalava il flusso di ioni attraverso il poro e lo registrava come segnale di corrente elettrica.

Quando i ricercatori hanno aggiunto lunghe catene di DNA nel liquido, sono stati tirati elettricamente uno per uno attraverso il nanoporo di grafene. Mentre la molecola di DNA infila il nanoporo, blocca il flusso di ioni, risultante in un segnale elettrico caratteristico che riflette la dimensione e la conformazione della molecola di DNA.

Co-autore Daniel Branton, Higgins Professore di Biologia, Emerito ad Harvard, è una delle ricerche che, più di un decennio fa, ha avviato l'uso dei nanopori nelle membrane artificiali per rilevare e caratterizzare singole molecole di DNA.

Insieme al suo collega David Deamer dell'Università della California, Branton ha suggerito che i nanopori potrebbero essere usati per leggere rapidamente il codice genetico, proprio come si leggono i dati da una macchina a nastro.

Quando una catena di DNA passa attraverso il nanoporo, le basi azotate, quali sono le lettere del codice genetico, può essere identificato. Ma un nanoporo nel grafene è il primo nanoporo abbastanza corto da distinguere tra due basi azotate strettamente vicine.

Rimangono ancora diverse sfide da superare prima che un nanoporo possa eseguire tale lettura, compreso il controllo della velocità con cui il DNA passa attraverso il nanoporo.

Quando raggiunto, il sequenziamento dei nanopori potrebbe portare a un sequenziamento del DNA molto economico e rapido e ha il potenziale per far progredire l'assistenza sanitaria personalizzata.

"Siamo stati i primi a dimostrare la traslocazione del DNA attraverso una membrana veramente atomicamente sottile. Lo spessore unico del grafene potrebbe avvicinare alla realtà il sogno di un sequenziamento veramente economico. La ricerca a venire sarà molto eccitante, "conclude Branton.