I ricercatori del College of Science and Engineering dell'Università del Minnesota hanno scoperto un altro uso straordinario per il meraviglioso materiale grafene:minuscole "pinzette" elettroniche che possono afferrare le biomolecole che galleggiano nell'acqua con incredibile efficienza. Questa capacità potrebbe portare a un rivoluzionario sistema diagnostico portatile delle malattie che potrebbe essere eseguito su uno smartphone.

Grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, è stato scoperto più di dieci anni fa e ha affascinato i ricercatori con la sua gamma di proprietà sorprendenti che hanno trovato impiego in molte nuove applicazioni, dalla microelettronica alle celle solari.

Le pinzette per grafene sviluppate presso l'Università del Minnesota sono molto più efficaci nell'intrappolare le particelle rispetto ad altre tecniche utilizzate in passato a causa del fatto che il grafene è spesso un singolo atomo, meno di 1 miliardesimo di metro.

Lo studio di ricerca è stato pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , una rivista leader nel campo dei nanomateriali e dei dispositivi.

Le pinzette più affilate del mondo

Il principio fisico di pinzare o intrappolare oggetti su scala nanometrica, nota come dielettroforesi, è noto da tempo e viene praticato tipicamente utilizzando una coppia di elettrodi metallici. Dal punto di vista dell'afferrare le molecole, però, gli elettrodi metallici sono molto smussati. Mancano semplicemente della "nitidezza" per raccogliere e controllare oggetti su scala nanometrica.

"Il grafene è il materiale più sottile mai scoperto, ed è questa proprietà che ci permette di rendere queste pinzette così efficienti. Nessun altro materiale può avvicinarsi, " ha detto il capo del gruppo di ricerca Sang-Hyun Oh, un professore di Sanford P. Bordeau nel dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota. "Per costruire pinzette elettroniche efficienti per afferrare biomolecole, fondamentalmente dobbiamo creare parafulmini miniaturizzati e concentrare enormi quantità di flusso elettrico sulla punta acuminata. I bordi del grafene sono i parafulmini più affilati".

Il team ha anche dimostrato che le pinzette di grafene potrebbero essere utilizzate per un'ampia gamma di applicazioni fisiche e biologiche intrappolando nanocristalli semiconduttori, particelle di nanodiamante, e persino molecole di DNA. Normalmente questo tipo di intrappolamento richiederebbe tensioni elevate, limitandolo ad un ambiente di laboratorio, ma le pinzette di grafene possono intrappolare piccole molecole di DNA a circa 1 Volt, il che significa che potrebbe funzionare su dispositivi portatili come i telefoni cellulari.

Utilizzando le strutture di nanofabbricazione all'avanguardia dell'Università del Minnesota presso il Minnesota Nano Center, Il team di ingegneria elettrica e informatica del professor Steven Koester ha realizzato le pinzette di grafene creando una struttura a sandwich in cui un sottile materiale isolante chiamato biossido di afnio è inserito tra un elettrodo metallico da un lato e il grafene dall'altro. Il biossido di afnio è un materiale comunemente usato nei moderni microchip avanzati.

"Una delle grandi cose del grafene è che è compatibile con gli strumenti di elaborazione standard nell'industria dei semiconduttori, che renderà molto più facile commercializzare questi dispositivi in ​​futuro, " disse Koester, che ha guidato lo sforzo per fabbricare i dispositivi di grafene.

"Dal momento che siamo i primi a dimostrare una tale cattura a bassa potenza di biomolecole utilizzando pinzette di grafene, resta ancora molto lavoro da fare per determinare i limiti teorici per un dispositivo completamente ottimizzato, "ha detto Avijit Barik, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota e autore principale dello studio. "Per questa prima dimostrazione, abbiamo utilizzato sofisticati strumenti di laboratorio come un microscopio a fluorescenza e strumenti elettronici. Il nostro obiettivo finale è miniaturizzare l'intero apparato in un singolo microchip gestito da un telefono cellulare".

Pinzette che possono "sentire"

Un'altra prospettiva entusiasmante per questa tecnologia che separa le pinzette di grafene dai dispositivi a base di metallo è che il grafene può anche "sentire" le biomolecole intrappolate. In altre parole, le pinzette possono essere utilizzate come biosensori con una sensibilità squisita che può essere visualizzata utilizzando semplici tecniche elettroniche.

"Il grafene è un materiale estremamente versatile, " Ha detto Koester. "Fa grandi transistor e fotorivelatori, e ha il potenziale per l'emissione di luce e altri nuovi dispositivi biosensori. Aggiungendo la capacità di afferrare e rilevare rapidamente le molecole sul grafene, possiamo progettare una piattaforma elettronica a bassa potenza ideale per un nuovo tipo di biosensore portatile".

Oh concorda sul fatto che le possibilità sono infinite.

"Oltre al grafene, possiamo utilizzare una grande varietà di altri materiali bidimensionali per costruire pinzette atomicamente affilate combinate con proprietà ottiche o elettroniche insolite, " disse Oh. "È davvero eccitante pensare a pinzette atomicamente affilate che possono essere usate per intrappolare, senso, e rilasciare biomolecole elettronicamente. Questo potrebbe avere un enorme potenziale per la diagnostica point-of-care, che è il nostro obiettivo finale per questo potente dispositivo."

Oltre a Oh, Koester, e Barik, altri ricercatori del team includono l'assistente professor Tony Low del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota, studente laureato Yao Zhang, e il ricercatore post-dottorato Roberto Grassi, così come il professor Joshua Edel e il ricercatore associato Binoy Paulose Nadappuram dell'Imperial College di Londra.

La ricerca dell'Università del Minnesota è stata finanziata principalmente dalla National Science Foundation e dalla Minnesota Partnership for Biotechnology and Medical Genomics, un'impresa collaborativa unica tra l'Università del Minnesota, Clinica Mayo, e lo Stato del Minnesota.