Gli scienziati hanno arruolato le proprietà esotiche del grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, funzionare come la pellicola di un sistema di telecamere incredibilmente sensibile nella mappatura visiva di minuscoli campi elettrici in un liquido. I ricercatori sperano che il nuovo metodo consentirà un'immagine più ampia e precisa delle reti di segnalazione elettrica nei nostri cuori e cervelli.

La capacità di rappresentare visivamente la forza e il movimento di campi elettrici molto deboli potrebbe anche aiutare nello sviluppo dei cosiddetti dispositivi lab-on-a-chip che utilizzano quantità molto piccole di fluidi su una piattaforma simile a un microchip per diagnosticare malattie o aiutare nello sviluppo di farmaci, Per esempio, o che automatizzano una serie di altre analisi biologiche e chimiche.

La configurazione potrebbe essere potenzialmente adattata per rilevare o intrappolare sostanze chimiche specifiche, pure, e per studi di elettronica basata sulla luce (un campo noto come optoelettronica).

Un nuovo modo di visualizzare i campi elettrici

"Questo era un completamente nuovo, idea innovativa che il grafene potrebbe essere utilizzato come materiale per rilevare i campi elettrici in un liquido, " ha detto Jason Horng, un co-autore principale di uno studio pubblicato il 16 dicembre in Comunicazioni sulla natura che dettaglia la prima dimostrazione di questo sistema di imaging a base di grafene. Horng è affiliato al Kavli Energy NanoSciences Institute, un istituto congiunto presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e l'UC Berkeley, ed è un ricercatore post-dottorato presso l'UC Berkeley.

L'idea è nata da una conversazione tra Feng Wang, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab la cui ricerca si concentra sul controllo delle interazioni luce-materia su scala nanometrica, e Bianxiao Cui, che guida un gruppo di ricerca presso la Stanford University specializzato nello studio della segnalazione delle cellule nervose. Wang è anche professore associato di fisica all'Università di Berkeley, e Cui è professore associato di chimica alla Stanford University.

"Il concetto di base era come il grafene potesse essere usato come metodo molto generale e scalabile per risolvere cambiamenti molto piccoli nella grandezza, posizione, e temporizzazione di un campo elettrico locale, come gli impulsi elettrici prodotti da una singola cellula nervosa, " ha detto Halleh B. Balch, un co-autore principale nel lavoro. Balch è anche affiliato al Kavli Energy NanoSciences Institute ed è uno studente di dottorato in fisica presso l'UC Berkeley.

"Uno dei problemi in sospeso nello studio di una vasta rete di cellule è capire come le informazioni si propagano tra di loro, " ha detto Balc.

Altre tecniche sono state sviluppate per misurare i segnali elettrici da piccoli array di cellule, anche se questi metodi possono essere difficili da scalare fino a array più grandi e in alcuni casi non possono tracciare i singoli impulsi elettrici a una cella specifica.

Anche, Cui ha detto, "Questo nuovo metodo non perturba in alcun modo le cellule, che è fondamentalmente diverso dai metodi esistenti che utilizzano modifiche genetiche o chimiche della membrana cellulare".

La nuova piattaforma dovrebbe consentire più facilmente misurazioni a cella singola di impulsi elettrici che viaggiano attraverso reti contenenti 100 o più cellule viventi, ricercatori hanno detto.

Sfruttare le proprietà di assorbimento della luce del grafene

Grafene, che è composto da una disposizione a nido d'ape di atomi di carbonio, è al centro di un'intensa attività di ricerca e sviluppo a causa della sua incredibile forza, capacità di condurre l'elettricità in modo molto efficiente, alto grado di stabilità chimica, la velocità con cui gli elettroni possono muoversi sulla sua superficie, e altre proprietà esotiche. Alcune di queste ricerche si concentrano sull'uso del grafene come componente nei circuiti dei computer e negli schermi di visualizzazione, nei sistemi di somministrazione dei farmaci, e nelle celle solari e nelle batterie.

Nell'ultimo studio, i ricercatori hanno utilizzato per la prima volta la luce infrarossa prodotta presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab per comprendere gli effetti di un campo elettrico sull'assorbimento della luce infrarossa da parte del grafene.

Nell'esperimento, hanno puntato un laser a infrarossi attraverso un prisma verso uno strato sottile chiamato guida d'onda. La guida d'onda è stata progettata per abbinare con precisione le proprietà di assorbimento della luce del grafene in modo che tutta la luce fosse assorbita lungo lo strato di grafene in assenza di un campo elettrico.

I ricercatori hanno quindi sparato minuscoli impulsi elettrici in una soluzione liquida sopra lo strato di grafene che ha interrotto leggermente l'assorbimento della luce dello strato di grafene, permettendo alla luce di fuoriuscire in un modo che portasse una precisa firma del campo elettrico. I ricercatori hanno catturato una sequenza di immagini di questa luce in fuga a intervalli di millesimi di secondo, e queste immagini hanno fornito una visualizzazione diretta della forza e della posizione del campo elettrico lungo la superficie del grafene.

Milioni di volt di sensibilità

La nuova piattaforma di imaging, soprannominata CAGE per "Dispositivo di imaging del campo elettrico a guida d'onda amplificata in grafene ad accoppiamento critico", si è dimostrata sensibile a tensioni di pochi microvolt (milionesimi di volt). Questo lo renderà ultrasensibile ai campi elettrici tra le cellule nelle reti di cellule cardiache e cellule nervose, che può variare da decine di microvolt a pochi millivolt (millesimi di volt).

I ricercatori hanno scoperto che potevano individuare la posizione di un campo elettrico lungo la superficie del foglio di grafene fino a decine di micron (milionesimi di metro), e catturare la sua forza di dissolvenza in una sequenza di fasi temporali separate da soli cinque millisecondi, o millesimi di secondo.

In una sequenza, i ricercatori hanno dettagliato la posizione e la dissipazione, o svanire, di un campo elettrico locale generato da un impulso di 10 millesimi di volt su un periodo di circa 240 millisecondi, con sensibilità fino a circa 100 milionesimi di volt.

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Balch ha affermato che ci sono già piani per testare le piattaforme con cellule viventi. "Stiamo lavorando con i collaboratori per testarlo con cellule cardiache reali, " ha detto. "Ci sono diverse potenziali applicazioni per questa ricerca nella salute del cuore e nello screening dei farmaci".

Esiste anche la possibilità di utilizzare altri materiali atomicamente sottili oltre al grafene nella configurazione dell'imaging, lei disse.

"Il tipo di eleganza alla base di questo sistema deriva dalla sua generalità, " Balch ha detto. "Può essere sensibile a tutto ciò che porta una carica."