Nanobånd i løsninger efterligner naturen

Grafen nanobånd (GNR'er) bøjes og snoes let i opløsning, gør dem tilpasselige til biologiske formål som DNA-analyse, lægemiddellevering og biomimetiske applikationer, ifølge forskere ved Rice University.

At kende detaljerne om, hvordan GNR'er opfører sig i en løsning, vil hjælpe med at gøre dem egnede til bred brug i biomimetik, ifølge ris-fysiker Ching-Hwa Kiang, hvis laboratorium brugte sine unikke evner til at undersøge materialer i nanoskala som celler og proteiner i våde miljøer. Biomimetiske materialer er dem, der efterligner naturlige materialers former og egenskaber.

Forskningen ledet af nyuddannet Rice Sithara Wijeratne, nu postdoc-forsker ved Harvard University, optræder i Nature-tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Grafen nanobånd kan være tusindvis af gange længere, end de er brede. De kan fremstilles i bulk ved kemisk at "udpakke" kulstofnanorør, en proces opfundet af Rice kemiker og medforfatter James Tour og hans laboratorium.

Deres størrelse betyder, at de kan operere på skalaen af ​​biologiske komponenter som proteiner og DNA, sagde Kiang. "Vi studerer de mekaniske egenskaber af alle forskellige slags materialer, fra proteiner til celler, men lidt anderledes end andre mennesker gør, " sagde hun. "Vi kan godt lide at se, hvordan materialer opfører sig i opløsning, fordi det er der, biologiske ting er." Kiang er en pioner inden for udvikling af metoder til at undersøge energitilstande af proteiner, når de folder og udfolder sig.

Hun sagde, at Tour foreslog hendes laboratorium at se på de mekaniske egenskaber af GNR'er. "Det er lidt ekstra arbejde at studere disse ting i opløsning i stedet for tørre, men det er vores speciale, " hun sagde.

Nanobånd er kendt for at tilføje styrke, men ikke vægt til solid-state kompositter, som cykelstel og tennisketchere, og dannelse af en elektrisk aktiv matrix. Et nyligt Rice-projekt infunderede dem i en effektiv afisningsbelægning til fly.

Men i et mere squishier miljø, deres evne til at tilpasse sig overflader, bære strøm og styrke kompositter kunne også være værdifuldt.

"Det viser sig, at grafen opfører sig rimeligt godt, noget ligner andre biologiske materialer. Men det interessante er, at det opfører sig anderledes i en løsning, end det gør i luft, " sagde hun. Forskerne fandt ud af, at ligesom DNA og proteiner, nanobånd i opløsning danner naturligt folder og løkker, men kan også danne helicoider, rynker og spiraler.

Kiang, Wijeratne og Jingqiang Li, en medforfatter og studerende i Kiang-laboratoriet, brugt atomkraftmikroskopi til at teste deres egenskaber. Atomkraftmikroskopi kan ikke kun samle billeder i høj opløsning, men også tage følsomme kraftmålinger af nanomaterialer ved at trække i dem. Forskerne undersøgte GNR'er og deres forstadier, grafenoxid nanobånd.

Forskerne opdagede, at alle nanobånd bliver stive under stress, men deres stivhed øges, efterhånden som oxidmolekyler fjernes for at omdanne grafenoxidnanobånd til GNR'er. De foreslog, at denne evne til at justere deres stivhed skulle hjælpe med design og fremstilling af GNR-biomimetiske grænseflader.

"Graphen- og grafenoxidmaterialer kan funktionaliseres (eller modificeres) for at integrere med forskellige biologiske systemer, såsom DNA, protein og endda celler, " sagde Kiang. "Disse er blevet realiseret i biologiske enheder, biomolekyledetektion og molekylær medicin. Følsomheden af ​​grafen bio-enheder kan forbedres ved at bruge smalle grafen materialer som nanobånd."

Wijeratne bemærkede, at grafen nanobånd allerede bliver testet til brug i DNA-sekventering, hvor DNA-strenge trækkes gennem en nanopore i et elektrificeret materiale. Basiskomponenterne i DNA påvirker det elektriske felt, som kan læses for at identificere baserne.

Forskerne så nanobånds biokompatibilitet som potentielt nyttig for sensorer, der kunne rejse gennem kroppen og rapportere om, hvad de finder, ikke ulig Tour-laboratoriets nanoreportere, der henter information fra oliebrønde.

Yderligere undersøgelser vil fokusere på effekten af ​​nanobåndets bredde, som spænder fra 10 til 100 nanometer, på deres ejendomme.