Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Nie kończą się nowe pomysły i koncepcje na zastosowanie grafenu - pojedynczej warstwy atomów węgla - w nanotechnologii. Do listy jego wielu atrakcyjnych cech trzeba dodać jeszcze jedną: dobrze współpracuje z DNA.

Stworzenie nowych bioczujników, pozwalających na szybkie i bezbłędne identyfikowanie przyczyn chorób, to zajęcie wielu naukowców i laboratoriów na świecie. Narodowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku, należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytet Princeton osiągnęły w tej dziedzinie wymierny sukces, łącząc grafen z ludzkim DNA.

Podczas badań okazało się, że pojedyncza spirala DNA silnie i trwale łączy się z powłoką grafenową. To podsunęło myśl do sporządzenia czujnika, wykrywającego konkretne DNA w badanych próbkach. Pojedyncza spirala DNA z genu poszukiwanego czynnika chorobotwórczego jest umieszczana na powierzchni grafenu. Ponieważ naturalnym stanem cząstek DNA jest podwójna spirala, oddzielona nitka „poszukuje" odpowiadającej sobie pary. Zatem kiedy taki czujnik zanurzymy w krwi, lub innym płynie ustrojowym, umocowana na grafenie pojedyncza nić DNA będzie działać jak bardzo wybiórczy haczyk, łapiący swój odpowiednik. Jeśli poszukiwany czynnik „złapie przynętę" i przyczepi się do czujnika, ten generuje sygnał, który można zarejestrować.

Sprawdzono, jaka jest czułość i wybiórczość projektowanego bioczujnika. Podczas prób z dołączanymi do wolno pływających nici DNA fluorescencyjnymi molekułami wykazano, że „łapanie" dokładnie poszukiwanych fragmentów jest dwukrotnie silniejsze niż łapanie fragmentów jedynie podobnych, które mogłyby fałszować wyniki.

Zbadano też trwałość takiego czujnika - i tu dokonano kolejnego rewelacyjnego odkrycia. Okazało się, że grafen stanowi doskonałą ochronę nici DNA. Podczas prób z DNAzą - enzymem trawiącym DNA - okazało się, że podczas gdy wolno pływające nici są rozkładane natychmiast, nici DNA przytwierdzone do grafenowej powierzchni unikają zniszczenia przez 60 minut.

Prostota działania i wykonania, oraz wysoka trwałość i skuteczność mogą sprawić, że rozpowszechnienie się tego typu czujników stanie się przełomem w diagnostyce medycznej. Nie koniec to jednak planów zespołu badawczego związanych z odkrytymi właściwościami grafenu. Skoro grafen tak dobrze współdziała z DNA, chcą poszukać sposobu na jej wykorzystanie do dostarczania leków bezpośrednio do chorych komórek, a może nawet wykorzystanie jej w terapii genowej.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy ze szwedzkiego Uniwersytetu Technologicznego Chalmers obalili teorię mówiącą, że obie nici DNA są utrzymywane przez wiązania atomów wodoru. Okazuje się, że kluczem są siły hydrofobowe, nie atomy wodoru. Odkrycie to może mieć duże znaczenie dla medycyny i innych nauk biologicznych.
      Helisa DNA składa się z dwóch nici zawierających molekuły cukru i grupy fosforanowe. Pomiędzy obiema nićmi znajdują się zasady azotowe zawierające atomy wodoru. Dotychczas sądzono, że to wiązania atomów wodoru utrzymują razem obie nici.
      Jednak uczeni z Chalmers wykazali właśnie, że kluczem do utrzymania razem nici jest hydrofobowe wnętrze molekuł zanurzonych w środowisku składającym się głównie z wody. Zatem mamy tutaj hydrofilowe otoczenie i hydrofobowe molekuły odpychające otaczającą je wodę. Gdy hydrofobowe molekuły znajdują się w hydrofilowym środowisku, grupują się razem, by zmniejszyć swoją ekspozycję na wodę.
      Z kolei wiązania wodorowe, które dotychczas postrzegano jako elementy utrzymujące w całości podwójną helisę DNA, wydają się mieć więcej wspólnego z sortowaniem par bazowych, zatem z łączniem się helisy w odpowiedniej kolejności.
      Komórki chcą chronić swoje DNA i nie chcą wystawiać ich na środowisko hydrofobowe, które może zawierać szkodliwe molekuły. Jednocześnie jednak DNA musi się otwierać, by było użyteczne. Sądzimy, że przez większość czasu komórki utrzymują DNA w środowisku wodny, ale gdy chcą coś z DNA zrobić, na przykład je odczytać, skopiować czy naprawić, wystawiają DNA na środowisko hydrofobowe, mówi Bobo Feng, jeden z autorów badań.
      Gdy na przykład dochodzi do reprodukcji, pary bazowe odłączają się i nić DNA się otwiera. Enzymy kopiują obie strony helisy, tworząc nową nić. Gdy dochodzi do naprawy uszkodzonego DNA, uszkodzone części są wystawiane na działanie hydrofobowego środowiska i zastępowane. Środowisko takie tworzone jest przez proteinę będącą katalizatorem zmiany. Zrozumienie tej proteiny może pomóc w opracowaniu wielu leków czy nawet w metodach leczenia nowotworów. U bakterii za naprawę DNA odpowiada proteina RecA. U ludzi z kolei proteina Rad51 naprawia zmutowane DNA, które może prowadzić do rozwoju nowotworu.
      Aby zrozumieć nowotwory, musimy zrozumieć, jak naprawiane jest DNA. Aby z kolei to zrozumieć, musimy zrozumieć samo DNA. Dotychczas go nie rozumieliśmy, gdyż sądziliśmy, że helisa jest utrzymywana przez wiązania atomów wodoru. Teraz wykazaliśmy, że chodzi tutaj o siły hydrofobowe. Wykazaliśmy też, że w środowisku hydrofobowym DNA zachowuje się zupełnie inaczej. To pomoże nam zrozumieć DNA i proces jego naprawy. Nigdy wcześniej nikt nie umieszczał DNA w środowisku hydrofobowym i go tam nie badał, zatem nie jest zaskakujące, że nikt tego wcześniej nie zauważył, dodaje Bobo Feng.
      Szwedzcy uczeni umieścili DNA w hydrofobowym (w znaczeniu bardzo zredukowanej koncentracji wody) roztworze poli(tlenku etylenu) i krok po kroku zmieniali hydrofilowe środowisko DNA w środowisko hydrofobowe. Chcieli w ten sposób sprawdzić, czy istnieje granica, poza którą DNA traci swoją strukturę. Okazało się, że helisa zaczęła się rozwijać na granicy środowiska hydrofilowego i hydrofobowego. Bliższa analiza wykazała, że gdy pary bazowe – wskutek oddziaływania czynników zewnętrznych – oddzielają się od siebie, wnika pomiędzy nie woda. Jako jednak, że wnętrze DNA powinno być suche, obie nici zaczynają przylegać do siebie, wypychając wodę. Problem ten nie istnieje w środowisku hydrofobowym, zatem tam pary bazowe pozostają oddzielone.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej wykorzystują tlenek grafenu i związki grafenopochodne do opracowania nowych materiałów zabezpieczających przed promieniowaniem podczerwonym. Projekt IR-GRAPH realizowali ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
      Chcemy, żeby nasze materiały stanowiły barierę zarówno przed wpuszczaniem, jak i wypuszczaniem ciepła – mówi kierująca pracami dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka. To kompozyty. Tworzymy je na bazie polimerów, obecnie dwóch rodzajów. Jako napełniacz stosujemy materiały grafenowe z dodatkiem tlenków metali, np. tlenku tytanu.
      Takie połączenie gwarantuje skuteczne ekranowanie. Materiały grafenowe są dodawane w celu pochłonięcia promieniowania, a tlenki metali mają za zadanie je rozpraszać – wyjaśnia badaczka.
      Konkurencyjny materiał
      Na rynku są już dostępne np. folie na okna, które chronią przed promieniowaniem. Materiały opracowywane przez naukowców z Politechniki Warszawskiej mogą być jednak dla nich konkurencją. Żeby obniżyć temperaturę o kilka stopni Celsjusza, dodaje się tam około 5% napełniacza – tłumaczy dr Mazurkiewicz-Pawlicka. My podobne wyniki uzyskujemy przy dodaniu 0,1% napełniacza, czyli 50 razy mniej.
      Na razie zespół skupia się jednak na samych materiałach, a nie konkretnych aplikacjach. Choć nietrudno wskazać potencjalne zastosowania, takie jak właśnie okna, ale też elewacje, a nawet tkaniny. Zimą takie materiały chroniłyby przed utratą ciepła, a latem przed nadmiernym nagrzaniem.
      W przypadku budynków czy pojazdów mogłaby to być pewna alternatywa dla powszechnie dzisiaj stosowanej klimatyzacji. Jej używanie pochłania przecież mnóstwo energii. Im bardziej chcemy zmienić temperaturę w stosunku do tej naturalnej dla danego pomieszczenia, tym więcej energii potrzeba. Każde mniej energochłonne wsparcie oznaczałoby oszczędności w budżecie i korzyść dla środowiska.
      Patrząc w przyszłość
      Nasi naukowcy przeprowadzili badania krótkoterminowe. Ich wyniki są obiecujące, ale wiele kwestii wymaga jeszcze dokładniejszego sprawdzenia, m.in. zachowanie polimerów w promieniowaniu UV, podwyższonej temperaturze czy zmienionej wilgotności. Ważne jest przetestowanie dotychczasowych rozwiązań zarówno w różnych warunkach, jak i w dłuższym czasie. Badania takie można przeprowadzić przy użyciu komory klimatycznej, do której na kilka tygodni można wstawić próbkę materiału i ją obserwować.
      Na przykład żeby wykorzystać nasze materiały w folii na okna musimy popracować nad barwą, bo obecna, w odcieniach szarości, ogranicza widzialność – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Chcemy też znaleźć nowe polimery, które mogłyby zostać użyte jako osnowa w naszych materiałach.
      Współpraca
      Zespół dr Mazurkiewicz-Pawlickiej tworzyli dr hab. Leszek Stobiński, dr Artur Małolepszy oraz grupa studentów wykonujących w ramach projektu prace inżynierskie i magisterskie. Swoją cegiełkę dołożyli też członkowie Koła Naukowego Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Zrobili urządzenie, które mierzy efektywność naszych folii – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Składa się z lampy emitującej promieniowanie podczerwone i czujnika, który mierzy, o ile stopni udało się obniżyć temperaturę.
      W ramach IR-GRAPH naukowcy z PW ściśle współpracowali z Tatung University na Tajwanie. Korzystali także ze wsparcia Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prof. Dariusz Wasik, Dziekan Wydziału i dr hab. Andrzej Witowski są specjalistami w fizyce ciała stałego i wykonali dla nas pomiary spektrometryczne – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka.
      Dlaczego ekranować podczerwień?
      Grafen kojarzony jest przede wszystkim z zastosowaniami w elektronice i automatyce. Wykorzystanie go do ekranowania promieniowania nie jest jeszcze tak rozpowszechnione. Są doniesienia literaturowe, że grafen ekranuje promieniowanie elektromagnetyczne – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Jest to szeroko badane pod kątem promieniowania mikrofalowego, a ostatnio też terahercowego, głównie w zastosowaniach militarnych. Pomyśleliśmy, żeby sprawdzić właściwości grafenu dla promieniowania podczerwonego, bo na ten temat wiadomo niewiele.
      Promieniowanie podczerwone charakteryzuje się długością fal między 780 nanometrów a 1 milimetr. Wspólnie ze światłem widzialnym i promieniowaniem UV tworzy spektrum promieniowania słonecznego. W nadmiarze ma ono negatywny wpływ na naszą skórę. A aż około 50% tego promieniowania, które dociera do powierzchni Ziemi, stanowi właśnie podczerwień (odczuwana w postaci ciepła). Dlatego tak ważne jest jej ekranowanie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grafen ma wiele zalet i jedną poważną wadę – brak pasma wzbronionego, przez co nie nadaje się do użycia w roli półprzewodnika. Możliwe jest jednak sztuczne wytworzenie pasma wzbronionego w grafenie poprzez dołączenie do niego atomów wodoru.
      Naukowcy z Göttingen i Pasadeny zarejestrowali właśnie jedną z najszybciej przebiegających reakcji chemicznych, jakie kiedykolwiek badano – niezwykły obraz atomów wodoru łączących się z grafenem.
      Uczeni bombardowali grafen atomami wodoru. Wodór zachowywał się nieco inaczej, niż się spodziewaliśmy, mówi Alec Wodtke z Wydziału Dynamiki Powierzchni Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maksa Plancka i profesor Instytutu Chemii Fizycznej z Uniwersytetu w Göttingen. Zamiast natychmiast odlatywać od grafenu, atomy wodoru na chwilę przyklejały się do atomów węgla i dopiero później się od nich odbijały. Tworzyły czasowe wiązanie chemiczne, wyjaśnia. Naukowców zaintrygowało jeszcze jedno zjawisko. Otóż atomy wodoru miały dużą energię przed spotkaniem z grafenem. Gdy zaś go opuszczały ich energia była znacznie niższa. Jej większość traciły podczas zderzenia, lecz nie było jasne, co się z tą energią stało.
      Naukowcy z Göttingen i ich koledzy z Caltechu (California Institute of Technology), chcąc wyjaśnić zagadkę zaginionej energii, opracowali model teoretyczny, który przetestowali na komputerze, a uzyskane wyniki porównali z wynikami eksperymentów. Jako, że okazały się one zgodne, naukowcy mogli odtworzyć to, co w ciągu femtosekund zachodziło pomiędzy węglem a wodorem. To wiązanie chemiczne istnieje przez około 10 femtosekund. To jedna z najszybszych bezpośrednio zaobserwowanych reakcji chemicznych, mówi Alexander Kandratsenka z Göttingen.
      W ciągu tych 10 femtosekund atom wodoru przekazuje niemal całą swoją energię atomowi węgla w grafenie. Prowadzi do do powstania fali dźwiękowej, która rozprzestrzenia się na zewnątrz od miejsca, w którym atomy się zetknęły. Przypomina to propagację fali powstającej po wrzuceniu kamienia do wody, wyjaśnia uczony. To między innymi dzięki tej fali dźwiękowej atom wodoru łatwiej niż przypuszczano łączy się z atomem węgla.
      Uzyskane wyniki mogą mieć fundamentalne znaczenie dla przemysłu i możliwości wykorzystania grafenu w roli półprzewodnika. Jednak same eksperymenty wymagały olbrzymiej wiedzy, zasobów i odpowiedniego sprzętu. Musieliśmy prowadzić je w warunkach próżni niemal doskonałej, by utrzymać grafen w czystości, mówią badacze. Ponadto samo odpowiednie przygotowanie atomów wodoru wymagało wykorzystania olbrzymiej liczby systemu laserowych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nowy sposób na wytworzenie maleńkich struktur płaskiego grafenu zademonstrował zespół z Polski i Niemiec w Science. Płatki grafenu wytworzono po raz pierwszy nie na metalu, a od razu na podłożu z półprzewodnika. To nowe perspektywy dla zastosowań, między innymi w elektronice i fotonice.
      Badania przeprowadził zespół badaczy fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego i chemików z Uniwersytetu w Erlangen i Norymberdze.
      Grafen to atomowej grubości płaska struktura złożona z atomów węgla ułożonych w sieć przypominającą plaster miodu. Taka cienka i niewidoczna gołym okiem węglowa „kartka” jest niezwykle wytrzymała, elastyczna, przezroczysta, przewodzi ciepło i prąd. Kiedy w 2010 r. za odkrycie grafenu przyznano Nagrodę Nobla, tysiące naukowców i przedsiębiorców ruszyły, aby szukać zastosowań dla tego materiału. Potem sprawa przycichła... Czyżby nie było pomysłu, jak wykorzystać ten materiał? Pytany o to prof. Marek Szymoński z Uniwersytetu Jagiellońskiego mówi: Grafen sam w sobie ma rewelacyjne właściwości, ale z punktu widzenia zastosowań to właściwie tylko przewodząca, bardzo cienka ‘kartka’.
      Tymczasem np. dla elektroniki cyfrowej bardziej interesującymi materiałami są tzw. materiały z przerwą wzbronioną - do nich należą półprzewodniki. To materiały, przez które prąd przepłynie, ale tylko, jeśli dostarczy się nośnikom ładunku odpowiednią energię – a więc np. przyłożone napięcie przekroczy odpowiednią wartość. Przy mniejszym napięciu działają jak izolator – nie przepuszczają prądu. Dzięki temu można na urządzeniach półprzewodnikowych wykonywać m.in. operacje logiczne – jeśli prąd przepłynął – dostajemy wartość 1, jeśli nie – 0. Najbardziej znanym półprzewodnikiem jest krzem, którego znaczenia w przemyśle komputerowym (słynna Dolina Krzemowa) trudno przecenić.
      Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych jednak postępuje i naukowcy zastanawiają się nad materiałami, z których można by zbudować urządzenia o działaniu podobnym do półprzewodnikowych, ale miałyby wielkość zaledwie kilku nanometrów (nanometr to milionowa część milimetra). A w takiej skali tradycyjne urządzenia półprzewodnikowe nie najlepiej się spisują. Naukowcy szukają więc nowych materiałów o odpowiednich właściwościach. I tutaj właśnie nadzieją są nanometrowej wielkości struktury grafenowe o kształcie płatków lub wstążek. Okazuje się bowiem, że odpowiednio małym strukturom grafenu można nadać właściwości pozwalające na ich wykorzystanie do zbudowania elementarnych urządzeń elektronicznych – na przykład bramek logicznych lub nanotranzystorów.
      Problemem jest jednak to, jak precyzyjnie produkować takie niewidoczne gołym okiem płatki grafenu. Trudno tu przecież używać nanonożyczek i z atomową precyzją wycinać z kartek grafenu niewidoczne płatki. Naukowcy zastanawiają się więc nad odwrotnym podejściem: jak z mniejszych związków organicznych, na przykład pojedynczych molekuł aromatycznych, układać grafenowe puzzle.
      I tu właśnie z pomocą przychodzą badania prof. Konstantina Amsharova z FAU w Niemczech oraz polskiego zespołu. Wyniki tych badań ukazały się w styczniu w prestiżowym czasopiśmie Science. Naukowcy pokazali, jak w sprytny sposób przeprowadzić reakcję chemiczną, by z łatwych do kontrolowania półproduktów (tzw. prekursorów) produkować maleńkie płatki grafenu. Przedstawiony przez nich sposób działa sekwencyjnie - naukowcy nazywają to "nanozippingiem" i porównują tę reakcję do działania suwaka.
      W dodatku w doświadczeniu – przeprowadzonym w Krakowie – nanopłatki grafenu udało się wyprodukować od razu na podłożu z półprzewodnika, co jest istotnym nowym osiągnięciem. Nasza praca jest pierwszą, która donosi o w pełni kontrolowanej syntezie nanografenu na powierzchniach niemetalicznych – informuje w rozmowie z PAP pierwszy autor pracy dr Marek Kolmer, który obecnie realizuje staż podoktorski w Oak Ridge, USA.
      Prof. Marek Szymoński, który także jest wśród autorów publikacji, tłumaczy, że podstawową cegiełką do budowy płatków w ich doświadczeniu są aromatyczne struktury węglowe zbudowane z połączonych po jednym wiązaniem pierścieni benzenowych zakończonych na brzegach atomami wodoru lub fluoru. Jeśli jeden z fluorów połączy się z najbliżej położonym atomem wodoru z sąsiedniego pierścienia – a to można kontrolować na przykład przez podnoszenie temperatury – zaczyna się sekwencja reakcji pomiędzy kolejnymi pierścieniami benzenowymi. I tak „ząbek po ząbku”, para po parze, jak w zamku błyskawicznym, pierścienie benzenowe będą się ze sobą łączyć w strukturę nanografenu – mówi prof. Szymoński.
      Dr Marek Kolmer, tłumaczy, że w wyniku sześciu sekwencyjnie aktywowanych reakcji z prekursora powstaje molekuła nanografenu licząca 42 atomy węgla. To puzzel, który może zostać wykorzystany do produkcji większych, atomowo zdefiniowanych struktur – opowiada.
      Dotąd struktury grafenowe z prekursorów molekularnych wytwarzano na podłożach z metali takich jak złoto, srebro czy miedź. Metale te są jednak przecież świetnymi przewodnikami. Aby sprawdzić, jak wytworzone nanocząstki grafenu spisują się jako materiały elektroniczne, płatki trzeba oderwać i przenieść je inne podłoże, np. z półprzewodnika. A wtedy istnieje ryzyko, że taki atomowo zdefiniowany układ ulegnie modyfikacji.
      Tymczasem niemiecko-polskiemu zespołowi udało się wyprodukować płatki nanografenu od razu na podłożu z dwutlenku tytanu (rutylu), który jest półprzewodnikiem. Dr Kolmer tłumaczy, że rutyl jest kluczowy do przeprowadzenia reakcji chemicznej, która nie zajdzie na podłożu z miedzi czy złota. Badacze spodziewają się jednak, że nanografen tą metodą uda im się wytwarzać na innych półprzewodnikach i izolatorach.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas syntezy grafenu wykorzystuje się proces chemicznej redukcji tlenku grafenu (GO). Wymaga on wystawienia GO na działanie hydrazyny. Ten sposób produkcji ma jednak poważne wady, które czynią jego skalowanie bardzo trudnym. Opary hydrazyny są bowiem niezwykle toksyczne, zatem produkcja na skalę przemysłową byłaby niebezpieczna zarówno dla ludzi jak i dla środowiska naturalnego.
      Naukowcy z japońskiego Uniwersytetu Technologicznego Toyohashi zaprezentowali bezpieczne, przyjazne dla środowiska rozwiązanie problemu. Zainspirowały ich wcześniejsze badania wskazujące, że tlenek grafenu może działać na bakterie jak akceptor elektronów. Wskazuje to, że bakterie w procesie oddychania lub transportu elektronów mogą redukować GO.
      Japońscy uczeni wykorzystali mikroorganizmy żyjące na brzegach pobliskiej rzeki. Badania przeprowadzone przy wykorzystaniu zjawiska Ramana wykazały, że obecność bakterii rzeczywiście doprowadziła do zredukowania tlenku grafenu. Zdaniem Japończyków pozwala to na opracowanie taniej, bezpiecznej i łatwo skalowalnej przemysłowej metody produkcji grafenu o wysokiej jakości.
×
×
  • Create New...