Chiếc nhíp graphene “thần kỳ” có thể gắp các phân tử DNA

Graphene, một vật liệu được tạo ra từ một lớp nguyên tử cacbon, được tìm thấy cách đây hơn một thập kỷ và đã làm “say đắm” các nhà khoa học vì những tính chất kỳ diệu của nó. Graphene được ứng dụng rộng rãi từ vi điện tử đến pin mặt trời.

Mới đây, các nhà khoa học thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật – trường Đại học Minnesota, Mỹ đã phát hiện thêm một ứng dụng hết sức tuyệt vời của graphene. Đó là tạo ra chiếc nhíp có khả năng “gắp” từng phân tử sinh học trong nước với hiệu quả đáng kinh ngạc. Chiếc nhíp “thần” này hứa hẹn sẽ mang đến cuộc cách mạng cho thiết bị chẩn đoán bệnh cầm tay.

Nhíp graphene được phát triển tại Đại học Minnesota có hiệu quả hơn rất nhiều trong việc “bẫy” các hạt phân tử nhỏ so với các kỹ thuật khác được sử dụng trong quá khứ vì trên thực tế, graphene là một nguyên tử dày chưa đến 1/1 tỷ mét.

Nghiên cứu đã được công bố trên Nature Communications, một tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực vật liệu nano và các thiết bị.

Nhíp “nhạy bén” nhất thế giới

Nguyên lý gắp hoặc bẫy các vật thể kích thước nanomet (nguyên lý điện di) đã được biết đến lâu nay với việc sử dụng một cặp kim loại điện cực. Tuy nhiên, việc gắp và kiểm soát các phân tử bằng kim loại điện cực rất khó khăn vì nó thiếu độ sắc bén.

GS Sang-Hyun Oh, Khoa Kỹ thuật điện máy tính thuộc Đại học Minnesota – Trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Graphene là vật liệu mỏng nhất từng được phát hiện. Chính vì vậy, việc dùng graphene để gắp các phân tử sinh học trở nên hiệu quả hơn bất cứ vật liệu nào khác. Để tạo ra nhíp điện tử, về cơ bản chúng ta cần tạo ra một thanh thu lôi thu nhỏ và tập trung một lượng lớn các dòng điện trên đầu nhọn của nó. Các cạnh của graphene sẽ là những thanh thu lôi sắc nét nhất”.

Nhíp Graphene có thể “gắp” các hạt nhựa polystyrene và thậm chí là các phân tử ADN. Ảnh: Phys.org.

Nghiên cứu cũng cho thấy, nhíp graphene có thể được sử dụng cho một loạt các ứng dụng vật lý và sinh học bằng cách bẫy các tinh thể nano bán dẫn, các hạt nano kim loại, và thậm chí các phân tử DNA.

Thông thường, loại bẫy này sẽ đòi hỏi điện áp cao, hạn chế trong môi trường phòng thí nghiệm, nhưng nhíp graphene có thể bẫy các phân tử DNA với điện áp nhỏ khoảng 1 Volt, đồng nghĩa với việc chúng có thể hoạt động trên các thiết bị di động như điện thoại di động.

Sử dụng các thiết bị chế tạo nano hiện đại tại trung tâm Nano trường đại học Minnesota, nhóm nghiên cứu của GS Steven Koester đã chế tạo ra nhíp graphene bằng cách tạo ra cấu trúc tương tự như bánh sandwich: Vật liệu cách điện mỏng gọi là hafnium dioxide được kẹp giữa một kim loại điện cực và graphene. Hafnium dioxide là một vật liệu thường được sử dụng trong các vi mạch tiên tiến hiện nay.

“Một trong những điều tuyệt vời về graphene là nó tương thích với các công cụ chế biến tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp bán dẫn, điều này sẽ làm cho việc thương mại hoá thiết bị này trở nên dễ dàng hơn rất nhiều trong tương lai”, GS Koester phát biểu.

“Là những người đầu tiên “bẫy” thành công các phân tử sinh học ở công suất thấp bằng nhíp graphene, chúng tôi vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu nhằm xác định giới hạn lý thuyết để tối ưu hóa thiết bị”, Avijit Barik – Nghiên cứu sinh thuộc khoa Điện máy tính của Đại học Minnesota, phát biểu.

“Trong cuộc thử nghiệm đầu tiên này, chúng tôi đã sử dụng các công cụ thí nghiệm tinh vi như kính hiển vi huỳnh quang và dụng cụ điện tử. Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là thu nhỏ toàn bộ thiết bị vào một vi mạch duy nhất có thể vận hành bởi điện thoại di động”.

Loại nhíp có thể “cảm nhận” được

Một triển vọng thú vị khác của công nghệ này là nhíp graphene có thể “cảm nhận” được các phân tử sinh học đã được bẫy. Có nghĩa là, nhíp có thể được sử dụng như thiết bị cảm biến sinh học với độ nhạy tinh tế có thể được hiển thị bằng các kỹ thuật điện tử đơn giản.

Nhíp graphene có cấu trúc tương tự như bánh sandwich: Hafnium dioxide được kẹp giữa một kim loại điện cực và graphene.

“Graphene là một vật liệu vô cùng linh hoạt”, Koester cho biết. “Nó có khả năng bán dẫn và phát hiện hình ảnh tuyệt vời, có tiềm năng phát ra ánh sáng và ứng dụng cho các thiết bị cảm biến sinh học khác. Bằng cách thêm khả năng gắp và phán đoán các phân tử nhanh chóng của graphene, chúng ta có thể thiết kế một nền tảng điện tử lý tưởng cho một loại thiết bị cảm biến sinh học cầm tay mới”.

GS Oh cũng đồng ý rằng khả năng của graphene là vô tận.

“Bên cạnh graphene, chúng ta có thể sử dụng rất nhiều loại vật liệu hai chiều khác để chế tạo nhíp gắp nguyên tử sắc bén kết hợp với các tính chất quang học hoặc đặc tính điện tử”, ông Oh phát biểu.

“Thật là thú vị khi nghĩ đến những chiếc nhíp gắp nguyên tử sắc bén có thể dùng để bẫy, nhận biết và giải phóng các phân tử sinh học bằng điện tử. Nó đem đến một tiềm năng rất lớn cho việc chẩn đoán điểm chăm sóc, đây là mục tiêu cuối cùng của chúng tôi với thiết bị tuyệt vời này”.

Ngọc Hương

(theo Phys, Khám Phá)