 Многие области фундаментальных исследований заинтересованы в графене, благодаря его исключительным характеристикам. Он сделано из одного слоя атомов углерода, что делает его легким и прочным, и отличным тепло- и электрическим проводником. Несмотря на его кажущийся безграничный потенциал, однако, всего несколько приложений были продемонстрированы к настоящему времени. Теперь же ученые освоили уникальные оптические и электронные свойства графена, развиваемые с изменяемой конфигурацией датчика высокочувствительной молекулы.
Исследователи использовали графен для повышения хорошо известного способа обнаружения молекулы: инфракрасная спектроскопия поглощения. В стандартной методике свет используется для возбуждения молекул, которые вибрируют по-разному в зависимости от их характера. Это можно сравнить со струной гитары, которая издает различные звуки в зависимости от ее длины. Посредством этой вибрации молекулы раскрывают их присутствие и даже их идентичность. Эта «подпись» может быть «читаемой» в отраженном свете.
Однако этот метод не является эффективным для обнаружения молекулы нанометрического размера. Длина волны инфракрасного фотона, направленного на молекулу, составляет около 6 мкм (6000 нм - 0,006 миллиметров), в то время как целевые измерения составляют всего лишь несколько нанометров (около 0,000001 мм). Это очень сложная для обнаружения вибрации подобной небольшой молекулы в отраженном свете.
Вот где в дело вступает графен. Если дана правильная геометрию, графен способен фокусировать свет на точном месте на его поверхности, и «слышит» вибрацию нанометровой молекулы, которая присоединена к нему. Исследователи сначала моделируют наноструктуры на поверхности графена, бомбардируя его электронными пучкамив и травля его ионами кислорода. Когда появляется свет, электроны в графеновых наноструктурах начинают колебаться. Это явление, известное как «локализованный поверхностный плазмонный резонанс», служит для концентрации света в крошечные пятна, которые сопоставимы с размерами целевых молекул. Затем уже можно будет обнаружить нанометровые структуры.
В дополнение к идентификации присутствия нанометровых молекул, этот процесс может также раскрыть природу связей, соединяющих атомы, из которых состоит молекула.
Когда молекула вибрирует, она выделяет только один тип «звука». Она производит весь спектр колебаний, генерируемых с помощью связей, соединяющих различные атомы. Возвращаясь к примеру гитары: каждая струна вибрирует по-разному, и вместе они образуют единый музыкальный инструмент. Эти нюансы предоставляют информацию о характере каждой связи и состояния всей молекулы. Эти колебания действуют, как отпечатки пальцев, что позволят определить такие молекулы, такие, как белки, и даже узнать об состоянии их здоровья.
Для того, чтобы подобрать звук, выделяемые каждой из струн, сначала необходимо определить весь диапазон частот. И это именно то, что графен может сделать. Исследователи «настроили» графен для различных частот, применяя напряжение, которое невозможно с датчиками тока. Побуждение электронов графена колебаться различными способами позволяет «прочитать» все колебания молекулы на ее поверхности. Исследователи протестировали этот метод на белке, который они прикрепили к графену. Это дало им полную картину молекулы.
Новый процесс на основе графена представляет собой важный шаг вперед для исследователей по нескольким причинам. Во-первых, этот простой метод показывает, что можно проводить сложный анализ с использованием только одного устройства, в то время как это обычно требует много разных. И все это, не подчеркивая или изменяя биологический образец. Во-вторых, он показывает невероятный потенциал графена в области обнаружения. Учены сосредоточены на биомолекулах, но метод должен работать для полимеров и многих других веществ.
|
