(PhysOrg.com) -- Guarda la punta di quella vecchia matita nel cassetto della tua scrivania, e quello che vedrai sono strati di grafite che hanno uno spessore di migliaia di atomi. Usa la matita per tracciare una linea su un pezzo di carta, e il segno che vedrai sulla pagina è composto da centinaia di strati di un atomo.

Ma quando gli scienziati hanno trovato un modo, usando, essenzialmente, un pezzo di normale nastro adesivo per staccare uno strato di grafite dello spessore di un solo atomo, chiamarono il materiale bidimensionale grafene e, nel 2010, vinse il premio Nobel per la fisica per la scoperta.

Ora, i ricercatori dell'Università del Delaware hanno condotto una modellazione computerizzata ad alte prestazioni per studiare un nuovo approccio per il sequenziamento ultraveloce del DNA basato su minuscoli fori, chiamati nanopori, forato in un foglio di grafene.

"Il grafene è un foglio bidimensionale di atomi di carbonio disposti a nido d'ape" Branislav Nikolic, professore associato di fisica e astronomia, disse. "La stabilità meccanica del grafene rende possibile utilizzare un fascio di elettroni per scolpire un nanoporo in un foglio di grafene sospeso, come dimostrato nel 2008 da Marija Drndić presso l'Università della Pennsylvania”.

Il grafene è stato tra le aree di studio in più rapida crescita nel campo delle nanoscienze e della tecnologia negli ultimi cinque anni, ha detto Nikolic. Lo chiama un materiale meraviglioso che ha una meccanica notevole, proprietà elettroniche e ottiche ed è oggetto di indagine per una varietà di applicazioni diverse come imballaggi in plastica e transistor gigahertz di nuova generazione.

Nella sequenza che lui e altri fisici hanno proposto, un minuscolo foro di pochi nanometri di diametro viene praticato in un foglio di grafene e il DNA viene infilato attraverso quel nanoporo. Quindi, una corrente di ioni che scorre verticalmente attraverso il poro o una corrente elettronica che scorre trasversalmente attraverso il grafene viene utilizzata per rilevare la presenza di diverse basi di DNA all'interno del nanoporo.

“Dal momento che il grafene è spesso solo un atomo, il nanoporo attraverso il quale è infilato il DNA ha contatto con una sola base di DNA, ” ha detto Nikolic.

Nel 2010, tre team sperimentali, guidati da Jene Golovchenko di Harvard, Cees Dekker di Delft e Drndić - ha dimostrato il rilevamento del DNA utilizzando nanopori in grafene di grandi dimensioni. Però, Nikolic ha detto, il processo si è mosso troppo rapidamente perché l'elettronica esistente potesse rilevare singole basi del DNA.

Il nuovo concetto di dispositivo proposto dai ricercatori dell'UD utilizza nanonastri di grafene, sottili strisce di grafene larghe meno di 10 nanometri, con un nanoporo perforato al loro interno. chimici, ingegneri, scienziati dei materiali e fisici hanno ideato vari metodi negli ultimi tre anni per fabbricare nanonastri con uno specifico schema a zigzag di atomi di carbonio lungo i bordi, ha detto Nikolic. Nanoribbons potrebbe consentire un rapido e a basso costo (meno di $ 1, 000) sequenziamento del DNA, Egli ha detto, a causa delle correnti elettroniche generate dalla meccanica quantistica che fluiscono lungo quei bordi.

Un sequenziamento del DNA così rapido ed economico potrebbe inaugurare un'era di medicina personalizzata, ha detto Nikolic.

"Abbiamo utilizzato le conoscenze acquisite da diversi anni di ricerca teorica e computazionale sul trasporto elettronico nel grafene per aumentare l'entità della corrente di rilevamento nel nostro biosensore da un migliaio a un milione di volte rispetto ad altri dispositivi recentemente considerati, " ha detto Nikolic. "Due anni fa, gli scienziati mi avrebbero detto che il nostro dispositivo era impossibile, ma ci sono così tante persone che lavorano sul grafene che nulla è più impossibile.

"Ogni volta che i fisici pensano che qualcosa sia impossibile, scienziati dei materiali o chimici vengono in soccorso e viceversa."

Nikolic ha affermato che lui e il ricercatore post-dottorato Kamal Saha hanno impiegato i loro codici computazionali massicci paralleli sviluppati in casa per simulare il funzionamento del biosensore nanoelettronico proposto dai primi principi, utilizzando il supercomputer Chimera che UD ha acquisito con il supporto di una sovvenzione della National Science Foundation.

"Questo progetto deve essere eseguito su 500-1, 000 processori per diversi mesi ininterrottamente, " ha detto. "Non avremmo potuto farlo senza che UD Chimera diventi pienamente operativo all'inizio del 2011".

Nikolic, Saha e Drndić hanno recentemente pubblicato i risultati di questa ricerca in un articolo sul prestigioso Nano lettere , una rivista con un fattore di impatto di 12,219 pubblicata dall'American Chemical Society. Colleghi, guidato da Drndić presso l'Università della Pennsylvania, ora cercheranno di fabbricare i biosensori nel loro laboratorio, guidato dalle simulazioni presentate nell'articolo. Nikolic ha affermato che questa sinergia di ricerca sarà, a sua volta, consentono simulazioni di progetti di dispositivi migliorati.