ساخت گیره های گرافنی با توان هدف گرفتن بیومولکول های خاص

گرافن که شامل سطح تک لایه‌ای کربن است، بیش از ده سال پیش کشف شد و توجه پژوهشگران را به علت خواص شگفت‌انگیز خود جلب کرد. کاربردهای این ماده از میکروالکترونیک گرفته تا سلول‌های خورشیدی متنوع است.

به‌تازگی پنس‌های گرافنی در دانشگاه مینه سوتا ساخته شده‌اند و در به تله انداختن ذرات، از سایر تکنیک‌های گذشته مؤثرتر عمل می‌کنند؛ چرا که ضخامت گرافن به اندازه‌ی یک اتم و کم‌تر از یک میلیاردم متر است. نتیجه‌ی این مطالعه در ژورنال Nature Communications که در خصوص نانومواد و ابزار مربوط به آن است، منتشر شد.

اصل فیزیکی گرفتن و به دام انداختن نانومواد به نام دی الکتروفورز شناخته می‌شود که معمولا با استفاده از یک جفت الکترود فلزی عمل می‌کند. با این وجود، الکترودهای فلزی در خصوص جذب مولکول بسیار کند هستند و تیزی لازم در خصوص برداشتن و کنترل نانوذرات را ندارند.

گرافن، نازک ترین ماده‌ای است که تا کنون کشف شده و همین ویژگی آن باعث می‌شود به‌عنوان پنس گیرنده‌ی نانوذرات، بسیار کارآمد عمل کند. پرفسور سانگ هیون، سرپرست این تیم پژوهشی از دانشگاه مینه سوتا، می‌گوید:

برای ساخت این نوع پنس، از هیچ ماده‌ی دیگر جز گرافن نمی‌توان استفاده کرد. برای تولید پنس‌ الکترونیکی کارآمد و گرفتن بیومولکول‌ها به وسیله‌ی آن‌، نیاز به ساخت میله‌های برقی کوچک و مقادیر زیادی جریان الکتریکی روی نوک تیز آن‌ها داریم. لبه‌های گرافن می‌توانند به‌عنوان تیزترین میله‌های برقی به کار روند.

این تیم پژوهشی همچنین ثابت کرده است که پنس‌های گرافنی با قابلیت گرفتن نانوکریستال‌های نیمه رسانا، ذرات نانوالماس و حتی مولکول‌های DNA می‌توانند در طیف وسیعی از کاربردهای بیولوژیکی و فیزیکی مورد استفاده قرار بگیرند. در حالت عادی، برای برداشتن این نانوذرات به ولتاژ بالایی نیاز است که برقراری آن به محیط آزمایشگاه محدود می‌شود؛ اما پنس‌های گرافنی می‌توانند در ولتاژی حدود ۱ ولت مولکول‌های کوچک DNA را بردارند. از این رو این فناوری می‌تواند روی دستگاه‌های قابل حمل مانند تلفن‌ همراه هم مورد استفاده قرار بگیرند.

با استفاده از تأسیسات پیشرفته‌ی نانوفناوری مرکز نانوی دانشگاه مینه‌سوتا، تیم مهندسی برق و کامپیوتر به سرپرستی استیون کوستر موفق به ساخت پنس گرافنی با ساختار ساندویچی شد. به این ترتیب که یک ماده‌ی عایق نازک به نام‌ هافنیوم دی‌اکسید بین یک الکترود فلزی و یک سطح گرافنی قرار گرفته است.‌هافنیوم دی‌اکسید، فلزی است که در میکروچیپ‌های پیشرفته‌ی امروزی استفاده می‌شود. کوستر می‌گوید:

یکی از نکات فوق‌العاده در مورد گرافن این است که با ابزار پردازش استاندارد در صنعت نیمه‌هادی‌ها سازگار است و همین امر باعث می‌شود که این دستگاه‌ها در آینده، بسیار راحت‌تر تجاری سازی شوند.

آویجیت باریک، دیگر اعضای تیم مطالعاتی، می‌گوید:

از آنجا که ما نخستین تیمی هستیم که چنین ابزار کم‌مصرفی برای برداشتن بیومولکول‌ها ساخته‌ایم، هنوز هم مطالعات زیادی در خصوص تشخیص محدودیت‌های تئوری برای بهینه سازی کامل مورد نیاز است. در مراحل اولیه‌ی ساخت، از ابزارهای آزمایشگاهی پیشرفته مانند میکروسکوپ، فلورسنت و ابزارهای الکترونیکی کمک گرفته شد.  هدف نهایی ما این است که کل دستگاه را به یک ریزپردازنده‌ی کوچک که توسط یک تلفن همراه اداره می‌شود، کوچک‌سازی کنیم.

جنبه‌ی هیجان‌انگیز دیگر در خصوص این فناوری که پنس‌های گرافنی را از دستگاه‌های مبتنی بر فلز جدا می‌کند، این است که این پنس‌ها می‌توانند بیومولکول‌ها را حس کنند. به بیان دیگر، پنس‌ها می‌توانند به‌عنوان بیوسنسور یا حسگر زیستی، حساسیت عالی از خود نشان دهند و با استفاده از تکنیک‌های الکترونیکی ساده نمایش داده شوند.

کوستر در توضیحات خود گفت:

گستره‌ی کارآیی گرافن بسیار متنوع است. به‌طوری که می‌تواند در ترانزیستورهای بزرگ و آشکارسازهای نوری و سایر بیوسنسورهای جدید استفاده شود. با افزایش سرعت عملکرد گرافن در گرفتن و حس کردن مولکول‌ها، می‌توانیم پلتفرم الکترونیکی ایده‌آل و کم مصرفی در ساخت بیوسنسورهای جدید طراحی کنیم.

هیون بر این باور است که این امکانات بی نهایت هستند و می‌گوید:

 علاوه بر گرافن، می‌توانیم از محدوده‌ی وسیعی از مواد دوبعدی دیگر برای ساخت پنس‌های اتمی تیز با ویژگی‌های اکترونیکی و نوری غیر معمول استفاده کنیم. این که پنس‌های اتمی بتوانند به روش الکترونیکی در کاربردهایی چون برداشتن، حس کردن و انتشار بیومولکول‌ها کارایی داشته باشند، واقعا هیجان‌انگیز است.