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石墨烯分子傳感器 探測(cè)領(lǐng)域新進(jìn)展

更新時(shí)間:2015-11-13點(diǎn)擊次數(shù):970

盡管科學(xué)家因?yàn)槭┑膶傩远鴮?duì)其青睞有加,但迄今為止,其實(shí)際應(yīng)用仍然乏善可陳。
  不過(guò),瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)生物納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和西班牙光子科學(xué)研究
所的科學(xué)家們?cè)谝黄诘摹犊茖W(xué)》雜志上宣稱(chēng),他們利用石墨烯*的光學(xué)和電子學(xué)屬性,研制出了一種具有超高靈敏度的分子傳感器,可以探測(cè)蛋白質(zhì)或藥物小分子的詳細(xì)信息。

  在紅外吸收光譜學(xué)這種標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)方法中,光被用來(lái)激活分子。不同分子的振動(dòng)不同,借由這種振動(dòng),分子會(huì)顯示其存在甚至表現(xiàn)自己的“性格"。這些“蛛絲馬跡"可在反射光中“讀出"。但在探測(cè)納米大小的分子時(shí),這一方法的表現(xiàn)差強(qiáng)人意。因?yàn)檎丈浞肿拥募t外光子的波長(zhǎng)約為6微米,而目標(biāo)分子僅幾個(gè)納米,很難在反射光中探測(cè)到如此微小分子的振動(dòng)。

  于是,石墨烯受命于危難之間。研究合作者丹尼爾·羅德里戈解釋道,如果讓石墨烯擁有合適的幾何形狀,其就能將光聚焦在表面上的某個(gè)特定點(diǎn)上,并“傾聽(tīng)"附著其上的納米分子的振動(dòng)。他說(shuō):“通過(guò)使用電子束轟擊并使用氧離子蝕刻,我們?cè)谑┍砻媾艘恍┘{米結(jié)構(gòu)。當(dāng)光到達(dá)時(shí),納米結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子會(huì)振蕩,產(chǎn)生的‘局域表面等離子體共振’可將光聚集在某個(gè)點(diǎn)上,其與目標(biāo)分子的尺度相當(dāng),因此,能探測(cè)納米大小的結(jié)構(gòu)。"

  除此之外,這一過(guò)程也能揭示組成分子的原子鍵的屬性。研究人員稱(chēng),當(dāng)分子振動(dòng)時(shí),連接不同原子的原子鍵會(huì)產(chǎn)生多種振動(dòng),不同振動(dòng)之間的細(xì)微差別可提供與每個(gè)鍵的屬性以及整個(gè)分子的健康狀況有關(guān)的信息。為了找出每個(gè)原子鍵發(fā)出的“聲音"從而確定所有的頻率,需要用到石墨烯。在實(shí)驗(yàn)中,研究人員對(duì)石墨烯施加不同的電壓,讓其“調(diào)諧"到不同的頻率,從而能“閱讀"其表面上的分子的所有振動(dòng)情況,而使用目前的傳感器無(wú)法做到這一點(diǎn)。研究人員海蒂斯·奧特格說(shuō):“我們讓蛋白質(zhì)附著在石墨烯上,并用這一方法,得到了分子的信息。"

  研究人員表示,這種簡(jiǎn)單的方法表明,石墨烯在探測(cè)領(lǐng)域擁有不可思議的潛能,奧特格表示:“盡管我們研究的是生物分子,但這一方法或許也適用于聚合物和其他物質(zhì)。"

  其實(shí)石墨烯本身就是一種很神奇的材料,他被稱(chēng)為是“材料的未來(lái)和電子行業(yè)的救命稻草",是一種“奇跡材料"。我們來(lái)看看它到底有多神奇。

  什么是石墨烯?
  
  石墨烯是目前已知的硬度zui高、zui薄的材料。它由碳原子以特殊結(jié)構(gòu)排列而成,比其他任何材料都具備更好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性。更令人稱(chēng)奇的是,它不僅是世界上zui硬的材料,而且柔韌性也zui強(qiáng)。

  厚度只有一層碳原子的石墨烯被稱(chēng)為“奇跡材料"。

  石墨烯可以變革電子行業(yè),催生靈活多變的設(shè)備、超動(dòng)力的量子計(jì)算機(jī)、電子服裝及可與身體細(xì)胞交流的計(jì)算機(jī)。

  雖然石墨烯早在10年前就被發(fā)現(xiàn),然而它在2010年才真正獲得關(guān)注。兩名曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家因石墨烯實(shí)驗(yàn)而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。zui近,研究人員集中精力研究如何商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯。

  2012年,美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)稱(chēng)石墨烯的強(qiáng)度是鋼鐵的200倍,它如此輕薄,以至于1盎司的石墨烯可以覆蓋28個(gè)足球場(chǎng)。中國(guó)科學(xué)家曾合成石墨烯氣凝膠,密度只有空氣的1/6;一立方英寸(約16.39立方厘米)的石墨烯氣凝膠放在一片草葉上,草葉不會(huì)變形。

  “石墨烯是世界上為數(shù)不多同時(shí)具備透明、導(dǎo)電和柔性三大屬性的材料。"曼徹斯特大學(xué)講師亞拉文博士(AravindVijayaraghavan說(shuō)道,“這三種屬性很少能在同一個(gè)材料上出現(xiàn)。"

  石墨烯能做什么?
  
  那么我們可以用石墨烯來(lái)做什么?物理學(xué)家和研究人員表示,由于石墨烯可以讓電子產(chǎn)品的屏幕更清晰且具備柔性特質(zhì),這些產(chǎn)品將比以往采用硅材料的設(shè)備更薄、更快、更便宜。另外,續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的電池也可具備防水性能。

  2011年,美國(guó)西北大學(xué)的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池,該大學(xué)表示這種電池可以讓手機(jī)“電池用上一周,每次充電只需15分鐘"。

  2012年,美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)表示,石墨烯技術(shù)進(jìn)步將使得“手機(jī)薄如紙張,能夠折疊裝入口袋"。

  亞拉文博士正基于石墨烯研制一系列傳感器,包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器,它們的體型比以往更小。北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。