Pesquisadores da Faculdade de Ciências e Engenharia da Universidade de Minnesota descobriram outro uso notável para o maravilhoso material grafeno - minúsculas "pinças" eletrônicas que podem agarrar biomoléculas flutuando na água com incrível eficiência. Essa capacidade pode levar a um revolucionário sistema portátil de diagnóstico de doenças que pode ser executado em um smartphone.

Grafeno, um material feito de uma única camada de átomos de carbono, foi descoberto há mais de uma década e cativou os pesquisadores com sua gama de propriedades surpreendentes que encontraram usos em muitas novas aplicações, de microeletrônica a células solares.

As pinças de grafeno desenvolvidas na Universidade de Minnesota são muito mais eficazes na captura de partículas em comparação com outras técnicas usadas no passado, devido ao fato de que o grafeno tem a espessura de um único átomo, menos de 1 bilionésimo de um metro.

O estudo de pesquisa foi publicado hoje em Nature Communications , um jornal líder na área de nanomateriais e dispositivos.

A pinça mais afiada do mundo

O princípio físico de pinçar ou prender objetos em escala nanométrica, conhecido como dieletroforese, já é conhecido há muito tempo e é normalmente praticado com o uso de um par de eletrodos de metal. Do ponto de vista de agarrar moléculas, Contudo, eletrodos de metal são muito cegos. Eles simplesmente não têm a "nitidez" para pegar e controlar objetos em escala nanométrica.

"O grafeno é o material mais fino já descoberto, e é essa propriedade que nos permite tornar essas pinças tão eficientes. Nenhum outro material pode chegar perto, "disse o líder da equipe de pesquisa Sang-Hyun Oh, um Sanford P. Bordeau Professor no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota. "Para construir pinças eletrônicas eficientes para agarrar biomoléculas, Basicamente, precisamos criar pára-raios miniaturizados e concentrar grande quantidade de fluxo elétrico na ponta afiada. As bordas do grafeno são os pára-raios mais afiados. "

A equipe também mostrou que as pinças de grafeno podem ser usadas para uma ampla gama de aplicações físicas e biológicas, prendendo nanocristais semicondutores, partículas de nanodiamante, e até moléculas de DNA. Normalmente, este tipo de aprisionamento exigiria altas tensões, restringindo-o a um ambiente de laboratório, mas as pinças de grafeno podem capturar pequenas moléculas de DNA em cerca de 1 Volt, o que significa que isso pode funcionar em dispositivos portáteis, como telefones celulares.

Usando as instalações de nanofabricação de última geração da Universidade de Minnesota no Minnesota Nano Center, A equipe do professor Steven Koester, engenheiro elétrico e da computação, fez as pinças de grafeno criando uma estrutura de sanduíche onde um fino material isolante chamado dióxido de háfnio é imprensado entre um eletrodo de metal de um lado e o grafeno do outro. O dióxido de háfnio é um material comumente usado nos microchips avançados de hoje.

"Uma das melhores coisas sobre o grafeno é que ele é compatível com ferramentas de processamento padrão na indústria de semicondutores, o que tornará muito mais fácil comercializar esses dispositivos no futuro, "disse Koester, que liderou o esforço para fabricar os dispositivos de grafeno.

"Uma vez que somos os primeiros a demonstrar essa captura de biomoléculas de baixa potência usando uma pinça de grafeno, mais trabalho ainda precisa ser feito para determinar os limites teóricos para um dispositivo totalmente otimizado, "disse Avijit Barik, um estudante de graduação em engenharia elétrica e da computação da Universidade de Minnesota e principal autor do estudo. "Para esta demonstração inicial, usamos ferramentas de laboratório sofisticadas, como microscópio de fluorescência e instrumentos eletrônicos. Nosso objetivo final é miniaturizar todo o aparelho em um único microchip que é operado por um telefone móvel. "

Pinças que podem 'sentir'

Outra perspectiva empolgante para essa tecnologia que separa as pinças de grafeno de dispositivos baseados em metal é que o grafeno também pode "sentir" as biomoléculas presas. Em outras palavras, as pinças podem ser usadas como biossensores com sensibilidade requintada que podem ser exibidos usando técnicas eletrônicas simples.

"O grafeno é um material extremamente versátil, "Koester disse." Faz ótimos transistores e fotodetectores, e tem potencial para emissão de luz e outros novos dispositivos biossensores. Ao adicionar a capacidade de capturar rapidamente e detectar moléculas no grafeno, podemos projetar uma plataforma de eletrônicos de baixa potência ideal para um novo tipo de biossensor portátil. "

Oh concorda que as possibilidades são infinitas.

"Além do grafeno, podemos utilizar uma grande variedade de outros materiais bidimensionais para construir pinças atomicamente afiadas combinadas com propriedades ópticas ou eletrônicas incomuns, "disse Oh." É realmente emocionante pensar em pinças atomicamente afiadas que podem ser usadas para prender, senso, e liberar biomoléculas eletronicamente. Isso pode ter um grande potencial para diagnósticos de ponto de atendimento, que é o nosso objetivo final para este poderoso dispositivo. "

Além de Oh, Koester, e Barik, outros pesquisadores da equipe incluem o professor Tony Low do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota, estudante de graduação Yao Zhang, e o pesquisador de pós-doutorado Roberto Grassi, bem como o professor Joshua Edel e o associado de pesquisa Binoy Paulose Nadappuram do Imperial College London.

A pesquisa da Universidade de Minnesota foi financiada principalmente pela National Science Foundation e pela Minnesota Partnership for Biotechnology and Medical Genomics, um empreendimento colaborativo único entre a Universidade de Minnesota, Clínica Mayo, e o estado de Minnesota.