Molte aree di ricerca fondamentale sono interessate al grafene per le sue eccezionali caratteristiche. È costituito da uno strato di atomi di carbonio, che lo rende leggero e robusto, ed è un ottimo conduttore termico ed elettrico. Nonostante il suo potenziale apparentemente illimitato, però, poche applicazioni sono state dimostrate fino ad oggi. Gli scienziati del Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) dell'EPFL insieme ai ricercatori dell'Istituto di scienze fotoniche (ICFO, Spagna) ne hanno ora aggiunto un altro. Hanno sfruttato le proprietà ottiche ed elettroniche uniche del grafene per sviluppare un sensore molecolare altamente sensibile riconfigurabile.

I risultati sono descritti in un articolo apparso nell'ultima edizione della rivista Scienza .

Messa a fuoco della luce per migliorare il rilevamento

I ricercatori hanno utilizzato il grafene per migliorare un noto metodo di rilevamento delle molecole:la spettroscopia di assorbimento a infrarossi. Nel metodo standard, la luce viene utilizzata per eccitare le molecole, che vibrano in modo diverso a seconda della loro natura. Può essere paragonato a una corda di chitarra, che emette suoni diversi a seconda della sua lunghezza. In virtù di questa vibrazione, le molecole rivelano la loro presenza e anche la loro identità. Questa "firma" può essere "letta" nella luce riflessa.

Questo metodo non è efficace, però, nel rilevamento di molecole di dimensioni nanometriche. La lunghezza d'onda del fotone infrarosso diretto su una molecola è di circa 6 micron (6, 000 nanometri - 0,006 millimetri), mentre il bersaglio misura solo pochi nanometri (circa 0.000001 mm). È molto difficile rilevare la vibrazione di una molecola così piccola nella luce riflessa.

È qui che entra in gioco il grafene. Se viene data la geometria corretta, il grafene è in grado di focalizzare la luce su un punto preciso della sua superficie e "sentire" la vibrazione di una molecola nanometrica che è attaccata ad esso. "Per prima cosa modelliamo le nanostrutture sulla superficie del grafene bombardandola con fasci di elettroni e incidendola con ioni di ossigeno, " ha detto Daniele Rodrigo, coautore della pubblicazione. "Quando arriva la luce, gli elettroni nelle nanostrutture di grafene iniziano ad oscillare. Questo fenomeno, nota come "risonanza plasmonica superficiale localizzata, ' serve per concentrare la luce in piccoli punti, confrontabili con le dimensioni delle molecole bersaglio. È quindi possibile rilevare strutture nanometriche".

Riconfigurare il grafene in tempo reale per vedere la struttura della molecola

C'è di più. Oltre a identificare la presenza di molecole nanometriche, questo processo può anche rivelare la natura dei legami che collegano gli atomi di cui è composta la molecola.

Quando una molecola vibra, non emette un solo tipo di "suono". Produce tutta una serie di vibrazioni, che sono generati dai legami che collegano i diversi atomi. Tornando all'esempio della chitarra:ogni corda vibra in modo diverso e insieme formano uno strumento musicale. Queste sfumature forniscono informazioni sulla natura di ciascun legame e sulla salute dell'intera molecola. "Queste vibrazioni agiscono come un'impronta digitale che ci permette di identificare la molecola; come proteine, e può anche dire il loro stato di salute", ha detto Odeta Limaj, un altro coautore della pubblicazione.

Per captare il suono emesso da ciascuna delle corde, deve essere possibile identificare un'intera gamma di frequenze. E questo è qualcosa che il grafene può fare. I ricercatori hanno "sintonizzato" il grafene su diverse frequenze applicando tensione, cosa non possibile con i sensori di corrente. Far oscillare in modi diversi gli elettroni del grafene permette di "leggere" tutte le vibrazioni della molecola sulla sua superficie. "Abbiamo testato questo metodo su proteine ​​che abbiamo attaccato al grafene. Ci ha fornito un quadro completo della molecola, " ha detto Hatice Altug.

Un grande passo avanti verso l'utilizzo del grafene per il rilevamento delle molecole

Il nuovo processo a base di grafene rappresenta un importante passo avanti per i ricercatori, Per diverse ragioni. Primo, questo semplice metodo mostra che è possibile condurre un'analisi complessa utilizzando un solo dispositivo, mentre normalmente ne richiede molti diversi. E tutto questo senza stressare o modificare il campione biologico. Secondo, mostra l'incredibile potenziale del grafene nell'area di rilevamento. "Ci sono molte applicazioni possibili, "ha detto Altug. "Ci siamo concentrati sulle biomolecole, ma il metodo dovrebbe funzionare anche per i polimeri, e molte altre sostanze, " lei ha aggiunto.