Из графена сделали электрический нанопинцет для молекул

Американские химики разработали на основе графена нанопинцет для отдельных молекул. Графен в таком устройстве является источником неоднородного электрического поля, которое за счет эффекта диэлектрофореза направляет молекулу в нужную точку, пишут ученые в Nature Communications.

Графен — одноатомный слой из атомов углерода, который благодаря своей необычной структуре обладает целой комбинацией интересных физических свойств, благодаря чему его можно эффективно использовать для совершенно различных целей. С помощью него опресняют воду, его используют для создания прочных и легких нанокомпозитных материалов, и при этом графен не всегда используется именно в виде плоского слоя, но и, например, может сворачиваться в сложные трехмерные структуры. Подробнее о современных применениях графена и его аналогов можно прочитать в интервью с Константином Новоселовым, получившим за его открытие Нобелевскую премию.

Одним из новых перспективных применений графена является его использование в качестве чувствительных сенсоров для биомолекул. Тем не менее, на сегодняшний день применение таких устройств ограничено из-за того, что достаточно сложно собрать нужные молекулы, направить в нужное место и заставить закрепиться вблизи поверхности. Обычно для этого приходится применять достаточно сложные технологии с использованием высоких напряжений.

Группа химиков из США и Великобритании под руководством О Сан-Хёна (Sang-Hyun Oh) из Университета Миннесоты предложила новый способ точной фокусировки отдельных наночастиц и биомолекул с применением графена. Принцип действия разработанного учеными электронного нанопинцета основан на использовании явления диэлектрофореза — движения поляризованных диэлектрических частиц в жидкости под действием неоднородного электрического поля. Этот эффект уже используется, например, в оптических пинцетах для фокусировки и сортировки живых и мертвых клеток. В методике, предложенной авторами работы, источником неоднородного поля для диэлектрофореза является как раз графен, на краях которого такое поле возбуждается при подаче напряжения.

В качестве подложки с функцией обратного затвора авторы работы использовали слой HfO₂ толщиной 8 нанометров. По предложенной методике однородная нанометровая пленка из оксида гафния наносится на палладиевые электроды, а затем сверху на нее осаждается слой графена. При этом графен наносится не равномерно, а отдельными участками. При подаче напряжения на краях графеновых участков образуются области неоднородного электрического поля, на которых и концентрируются поляризующиеся молекулы. Максимально привлекательными областями для молекул с точки зрения возбуждаемого поля оказываются точки, в которых линия края графенового участка пересекается с краем палладиевого электрода, и именно там закрепляется нужная молекула.

В результате авторам работы удалось добиться создания электрического поля с градиентом, более чем в десять раз превышающим градиент в подобных устройствах на основе металлов. С помощью напряжения всего в 0,45 вольт ученые смогли сфокусировать наночастицы и биологические макромолекулы практически со стопроцентной эффективностью захвата (по одной наночастице на каждую точку пересечения краев). Методику ученые проверили на молекулах ДНК, наноалмазах и полистирольных наношариках.

По словам авторов, предложенная ими методика создания эффективного электронного нанопинцета для отдельных наночастиц позволяет получать устройства очень большой пощади, поэтому такое устройство можно объединить с различными биосенсорами на основе как самого графена, так и других двумерных материалов.

Иногда для графена и его производных предлагают и довольно необычные приложения. Например, поскольку оксид графена оказался эффективным фильтром не только для водных растворов, но и для органических жидкостей, оказалось, что с помощью него можно, например, обесцветить коньяк или виски.

Александр Дубов