Per la prima volta, un team di scienziati è riuscito a misurare e controllare con precisione lo spessore di un composto organico che è stato legato a uno strato di grafene. Ciò potrebbe consentire in futuro di utilizzare il grafene come rivelatore sensibile per le molecole biologiche.

Il carbonio puro si presenta in molte forme. Oltre alle classiche configurazioni presenti nei diamanti, grafite, e carbone, ci sono altri cugini esotici più giovani come il grafene. La sua struttura ricorda un nido d'ape - una maglia esagonale con un atomo di carbonio ad ogni angolo - che è spesso solo un singolo strato atomico. Quindi, è essenzialmente bidimensionale. Di conseguenza, il grafene è estremamente conduttivo, completamente trasparente, e abbastanza resistente sia chimicamente che meccanicamente.

Il grafene non è molto selettivo

È noto da tempo che il grafene è anche fondamentalmente adatto a rilevare tracce di molecole organiche. Questo perché la conduttività elettrica del grafene diminuisce non appena le molecole estranee si legano ad esso. Il problema, anche se, è che questo accade con quasi tutte le molecole. Il grafene non è molto selettivo, che rende molto difficile differenziare le molecole. Perciò, non può essere utilizzato come sensore.

Ora, staffe di montaggio per le molecole del rivelatore attaccate

Ora un team dell'HZB Institute for Silicon Photovoltaics ha trovato un modo per aumentare la selettività. Sono riusciti ad attivare elettrochimicamente il grafene ea prepararlo per ospitare molecole che agiscono come siti di legame selettivi. Per realizzare questo, gruppi para-maleimidofenile da una soluzione organica sono stati innestati sulla superficie del grafene. Queste molecole organiche si comportano come staffe di montaggio a cui le molecole del rivelatore selettivo possono essere fissate nella fase successiva. "Grazie a queste molecole, il grafene può ora essere impiegato per rilevare varie sostanze simili a come una chiave si inserisce in una serratura", spiega il dottor Marc Gluba. Le molecole di "blocco" sulla superficie sono altamente selettive e assorbono solo le molecole "chiave" corrispondenti.

Grandi superfici di grafene a HZB

Anche altri gruppi di ricerca avevano effettuato esperimenti in questo senso. Però, avevano solo minuscoli fiocchi di grafene con diametri nell'ordine dei micron a loro disposizione, in modo che gli effetti di bordo predominassero. Nel frattempo, i fisici e i chimici di HZB hanno prodotto superfici di grafene di diversi centimetri quadrati in modo che gli effetti dei bordi non giochino quasi alcun ruolo rispetto ai processi superficiali. Quindi, hanno trasferito lo strato di grafene su una microbilancia a cristalli di quarzo. Qualsiasi aumento di massa altera la frequenza oscillatoria del cristallo di quarzo che è possibile misurare anche piccole quantità fino ai singoli strati molecolari.

Rilevamento e controllo precisi

"Per la prima volta, siamo stati in grado di rilevare in modo preciso e accurato quante molecole sono state effettivamente innestate sulla superficie del grafene", riferisce il ricercatore junior Felix Rösicke, che ha studiato questo problema per la sua tesi di dottorato. "Inoltre, possiamo controllare con precisione quante molecole si legano al grafene regolando una tensione applicata", spiega il Dr. Jörg Rappich dell'HZB Institute for Silicon Photovoltaics, consigliere di Rosicke.

"Le speranze che abbiamo per il grafene sono davvero enormi", dice il prof. Norbert Nickel, capo del gruppo di ricerca. Per esempio, una cosa che potresti immaginare sarebbe un "lab-on-a-chip" davvero economico:applicheresti una singola goccia di sangue e otterresti immediatamente dati per importanti diagnosi mediche.