Nanorurki wchodzą w modę

Elegancja jest tak samo ważna w projektowaniu naukowym, jak w sztuce i architekturze, uważa inżynier chemik Nicholas Kotov. Siedząc w swoim surowym gabinecie na Uniwersytecie Michigan w Ann Arbor, popisuje się kawałkiem czarnej bawełny; pod względem wagi i dotyku przypomina miękką, lekką koszulę. Ale Kotov przekształcił tkaninę w bioczujnik i przewodnik elektryczny, po prostu zanurzając go w roztworze nanorurek węglowych, przeciwciał i polimeru.

Nicholas Kotov w swoim laboratorium na Uniwersytecie Michigan, gdzie wytwarza tekstylia z nanorurek węglowych, takie jak ten, który trzyma w prawej ręce.

Poszczególne, dobrze uformowane nanorurki węglowe są wysoce przewodzące, co czyni je obiecującymi w zastosowaniach takich jak elektrody akumulatorowe i mikroprocesory. Jeśli cząsteczki, takie jak przeciwciała, są zakotwiczone na ich powierzchni, mogą również służyć jako bardzo czułe detektory chemiczne: gdy przeciwciało wiąże się ze swoim celem, właściwości elektryczne nanutoba ulegają wymiernej zmianie. Ale nanorurki mają tendencję do zlepiania się, co uniemożliwia im samodzielne funkcjonowanie. To poważnie degraduje ich właściwości elektroniczne, mówi Kotov.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Są sposoby na obejście tego problemu: nanorurki można drobiazgowo układać, jedna po drugiej, stosując metody, które obejmują dni przetwarzania roztworu, a następnie fotolitografii lub można je natryskiwać na płaską powierzchnię w naprzemiennych warstwach polimerem przewodzącym, co zapobiega zbrylanie. Jednak Kotov odkrył, że ten rodzaj montażu warstwa po warstwie można jeszcze bardziej uprościć w przypadku złożonej trójwymiarowej powierzchni, takiej jak nić bawełniana: plątanina włókien zapewnia szablon strukturalny, który pozwala mu po prostu zanurzyć nić w roztworze zawierającym zarówno polimer, jak i rurki. Przyklejone do nici przez polimer nanorurki tworzą siatkę o dobrych właściwościach elektrycznych, przy czym rurki zachodzą na siebie, ale są dobrze rozmieszczone.

Wynikiem tej metody jest elegancka, wydajna i znacznie łatwiejsza do noszenia alternatywa dla złożonych inteligentnych tekstyliów, które zawierają ciężkie, nieporęczne światłowody lub metalowe druty podatne na korozję. Podczas gdy Kotov bada szereg możliwych zastosowań tych tekstyliów, najważniejsze, jak mówi, byłyby bioczujniki zapewniające ludziom bezpieczeństwo. Mogą być wykorzystywane do wykrywania utraty krwi u żołnierzy na odległych patrolach lub do wykrywania alergenów lub patogenów w powietrzu, takich jak grypa. A nici są tanie i wystarczająco czułe, aby można je było używać w fabrykach lub sklepach, a nawet w domu – na przykład do testowania niepewnej partii masła orzechowego pod kątem toksyn.

Szybka kąpiel
W laboratorium Kotova doktorant Jian Zhu miesza dostępne na rynku jednościenne nanorurki i polimer o nazwie Nafion z etanolem, co zapobiega sklejaniu się składników. Nafion przykleja nanorurki do bawełny, ale to nie wszystko. Nafion, długa, przewodząca cząsteczka składająca się głównie z węgla, działa jak maleńka sprężynka, umożliwiając każdej nanorurze pewien niezależny ruch. Ta mechaniczna właściwość, która ma kluczowe znaczenie dla bioczujników, pozwala również bawełnie zachować miękkość i dać: nie chciałbyś nosić koszuli pokrytej sztywną żywicą epoksydową.

Zhu odcina kawałek zwykłej bawełnianej nici ze szpulki i za pomocą pęsety zanurza ją w atramentowo-czarnym roztworze. Po dwóch minutach wyciąga nić i za pomocą spinacza spina ją do wyschnięcia pod wyciągiem laboratoryjnym, co można skrócić do zaledwie kilku minut za pomocą suszarki do włosów. Kotov stwierdził, że oporność elektryczna nici jest zoptymalizowana, gdy została zanurzona około 10 razy.

W gabinecie grupy Zhu demonstruje elektroniczne właściwości gotowej nici z nanorurek, której nie da się odróżnić od zwykłej czarnej bawełny. Podłącza go do styków elektrycznych na białej diodzie elektroluminescencyjnej za pomocą zwykłego lutu, a następnie przeciąga końce nici przez zaciski dodatnie i ujemne na źródle zasilania. Podkręca źródło zasilania do trzech woltów, a światło świeci jasno.

Prosty dodatek
Małe światełko na pierwszy rzut oka nie robi wielkiego wrażenia. Ale trzy wolty to wystarczająca moc, aby nici mogły wykonywać takie funkcje, jak biodetekcja. Kotov może przekształcić tkaniny z nanorurek w czujniki, po prostu włączając przeciwciała do początkowego roztworu etanolu. Ponieważ przeciwciała są wrażliwe na ciepło, naukowcy pozostawili materiał do wyschnięcia na powietrzu zamiast używać suszarki do włosów; w przeciwnym razie proces jest taki sam. Dodanie przeciwciał powoduje, że odporność włókna zmienia się wraz ze stężeniem cząsteczki docelowej przeciwciała. Zhu bierze nić potraktowaną roztworem zawierającym przeciwciało przeciwko ludzkiej wersji albuminy białka krwi i podłącza ją do multimetru, który dostarcza do nici stałego napięcia i pozwala mu obserwować, jak zmienia się jej opór. Gdy zanurza włókno w rozcieńczonym roztworze krwi, opór nici spada z 60 kiloomów do 20.

Kiedy bawełnę zanurza się w roztworze nanorurek, Nafion i przeciwciał, przeciwciała są fizycznie uwięzione na przecięciach siatek nanorurek. Kiedy cząsteczki krwi przylegają do traktowanej tkaniny, przeciwciała te przyłączają się do albuminy w osoczu. Kompleks albumina-przeciwciało, który jest bardzo rozpuszczalny we krwi, odrywa się od nanorurek, umożliwiając im zbliżenie się do siebie. Ponieważ prąd przemieszcza się między nanorurek za pomocą tunelowania kwantowego, zasadniczo przeskakując z rury do rury, niewielka zmiana odległości między nimi może prowadzić do ogromnych zmian oporu, wyjaśnia Kotov. Spadek oporności wynikający z odłączenia się przeciwciał od nici jest bardziej wiarygodnym pomiarem stężenia albuminy niż spadek przewodnictwa. Zmniejszona przewodność może być spowodowana brudem lub innymi zanieczyszczeniami, ale spadek oporu jest oznaką tylko jednego: albuminy, a tym samym przelanej krwi. Połączona z PDA, która potrafi interpretować, a nawet przekazywać wyniki, odzież wykonana z tak potraktowanej tkaniny może generować sygnał o niebezpieczeństwie, jeśli na przykład jesteś nieprzytomny, mówi Kotov.

Stosowanie przeciwciał sprawia również, że ten mechanizm wykrywania jest bardzo specyficzny: gdy tkanka jest wystawiona na działanie krwi bydlęcej, która zawiera nieco inną formę albuminy, jej odporność nie zmienia się. Potraktowane przeciwciałami przeciwko innym białkom, takie tkaniny mogą pomóc lekarzom monitorować pacjentów szpitalnych pod kątem infekcji lub ostrzegać astmatyków przed alergenami, mówi Kotov. A metoda jest tak prosta, czuła i potencjalnie tania, że ​​czujniki z nanorurek opartych na włóknach mogą być nawet używane zamiast powstających detektorów opartych na chipach do badania próbek krwi pod kątem oznak chorób, takich jak rak.

Czujniki Kotowa, choć bardzo niezawodne, nie nadają się do ponownego użycia: gdy przeciwciała oddzielą się od nanorurek, są one wypłukiwane, więc tkanina nie może ponownie wykryć białek. Kotov mówi, że tkaniny powinny być wystarczająco tanie do jednorazowego użytku. Pracuje również nad wersjami wielokrotnego użytku, zmieniając chemię, tak aby przeciwciała po wykryciu uwalniały swoje cele i pozostały w tkaninie.

Kotov współpracuje już z Nico Technologies nad opracowaniem odzieży wykonanej z tekstyliów do nieujawnionych zastosowań wojskowych i cywilnych. Zauważa jednak, że przyszłe ubrania mogą zawierać różne rodzaje powlekanej nici, z których każda będzie miała inną funkcję. Potrzebujesz tylko jednej [pokrytej nanorurek] nici w ubraniu, mówi, a wszystkie fundamentalne osiągnięcia nanotechnologii są już dostępne.

ukryć