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石墨烯分子传感器 探测领域新进展

行业聚焦点中国仪表网2015年07月13日 10:39人气:14012

  【中国仪表网 行业聚焦点】尽管科学家因为石墨烯无与伦比的属性而对其青睐有加,但迄今为止,其实际应用仍然乏善可陈。

  
 
  不过,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)生物纳米系统实验室和西班牙光子科学研究
所的科学家们在最新一期的《科学》杂志上宣称,他们利用石墨烯独特的光学和电子学属性,研制出了一种具有超高灵敏度的分子传感器,可以探测蛋白质或药物小分子的详细信息。
  
  在红外吸收光谱学这种标准的探测方法中,光被用来激活分子。不同分子的振动不同,借由这种振动,分子会显示其存在甚至表现自己的“性格”。这些“蛛丝马迹”可在反射光中“读出”。但在探测纳米大小的分子时,这一方法的表现差强人意。因为照射分子的红外光子的波长约为6微米,而目标分子仅几个纳米,很难在反射光中探测到如此微小分子的振动。
  
  于是,石墨烯受命于危难之间。研究合作者丹尼尔·罗德里戈解释道,如果让石墨烯拥有合适的几何形状,其就能将光聚焦在表面上的某个特定点上,并“倾听”附着其上的纳米分子的振动。他说:“通过使用电子束轰击并使用氧离子蚀刻,我们在石墨烯表面弄了一些纳米结构。当光到达时,纳米结构内的电子会振荡,产生的‘局域表面等离子体共振’可将光聚集在某个点上,其与目标分子的尺度相当,因此,能探测纳米大小的结构。”
  
  除此之外,这一过程也能揭示组成分子的原子键的属性。研究人员称,当分子振动时,连接不同原子的原子键会产生多种振动,不同振动之间的细微差别可提供与每个键的属性以及整个分子的健康状况有关的信息。为了找出每个原子键发出的“声音”从而确定所有的频率,需要用到石墨烯。在实验中,研究人员对石墨烯施加不同的电压,让其“调谐”到不同的频率,从而能“阅读”其表面上的分子的所有振动情况,而使用目前的传感器无法做到这一点。研究人员海蒂斯·奥特格说:“我们让蛋白质附着在石墨烯上,并用这一方法,得到了分子全方位的信息。”
  
  研究人员表示,这种简单的方法表明,石墨烯在探测领域拥有不可思议的潜能,奥特格表示:“尽管我们研究的是生物分子,但这一方法或许也适用于聚合物和其他物质。”
  
  其实石墨烯本身就是一种很神奇的材料,他被称为是“材料的未来和电子行业的救命稻草”,是一种“奇迹材料”。我们来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最高、最薄的材料。它由碳原子以特殊结构排列而成,比其他任何材料都具备更好的导热、导电特性。更令人称奇的是,它不仅是世界上最硬的材料,而且柔韧性也最强。
  
  厚度只有一层碳原子的石墨烯被称为“奇迹材料”。
  
  石墨烯可以变革电子行业,催生灵活多变的设备、超动力的量子计算机、电子服装及可与身体细胞交流的计算机。
  
  虽然石墨烯早在10年前就被发现,然而它在2010年才真正获得关注。两名曼彻斯特大学的物理学家因石墨烯实验而获得诺贝尔奖。最近,研究人员集中精力研究如何商业化生产石墨烯。
  
  2012年,美国化学学会称石墨烯的强度是钢铁的200倍,它如此轻薄,以至于1盎司的石墨烯可以覆盖28个足球场。中国科学家曾合成石墨烯气凝胶,密度只有空气的1/6;一立方英寸(约16.39立方厘米)的石墨烯气凝胶放在一片草叶上,草叶不会变形。
  
  “石墨烯是世界上为数不多同时具备透明、导电和柔性三大属性的材料。”曼彻斯特大学讲师亚拉文博士(AravindVijayaraghavan说道,“这三种属性很少能在同一个材料上出现。”
  
  石墨烯能做什么?
  
  那么我们可以用石墨烯来做什么?物理学家和研究人员表示,由于石墨烯可以让电子产品的屏幕更清晰且具备柔性特质,这些产品将比以往采用硅材料的设备更薄、更快、更便宜。另外,续航时间长的电池也可具备防水性能。
  
  2011年,美国西北大学的研究人员以石墨烯和硅为原料制造电池,该大学表示这种电池可以让手机“电池用上一周,每次充电只需15分钟”。
  
  2012年,美国化学学会表示,石墨烯技术进步将使得“手机薄如纸张,能够折叠装入口袋”。
  
  亚拉文博士正基于石墨烯研制一系列传感器,包括气体传感器、生物传感器和光传感器,它们的体型比以往更小。
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