Nanocaurules nāk modē

Zinātniskajā dizainā elegance ir tikpat svarīga kā mākslā un arhitektūrā, uzskata ķīmijas inženieris Nikolass Kotovs. Sēžot savā askētiskajā birojā Mičiganas Universitātē, Annārborā, viņš demonstrē melnas kokvilnas paraugu; pēc lieluma un sajūtas tas ir līdzīgs mīkstam, vieglam kreklam. Bet Kotovs audumu ir pārveidojis par biosensoru un elektrisko vadītāju, vienkārši iemērcot to oglekļa nanocauruļu, antivielu un polimēra šķīdumā.

Nikolass Kotovs savā laboratorijā Mičiganas Universitātē, kur viņš ražo ar oglekļa nanocaurulēm apstrādātus tekstilizstrādājumus, piemēram, tos, kas atrodas viņa labajā rokā.

Atsevišķas, labi izveidotas oglekļa nanocaurules ir ļoti vadošas, tāpēc tās ir daudzsološas lietošanai, piemēram, akumulatoru elektrodiem un mikroprocesoriem. Ja molekulas, piemēram, antivielas, ir piestiprinātas pie to virsmas, tās var kalpot arī kā ļoti jutīgi ķīmiskie detektori: kad antiviela saistās ar savu mērķi, nanutobes elektriskās īpašības tiek izmērāmi mainītas. Taču nanocaurules mēdz salipt kopā, kas neļauj tām darboties atsevišķi. Tas nopietni pasliktina to elektroniskās īpašības, saka Kotovs.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Ir veidi, kā novērst šo problēmu: nanocaurules var rūpīgi novietot pa vienam, izmantojot metodes, kas ietver vairākas dienas ilgu šķīduma apstrādi, kam seko fotolitogrāfija, vai caurules var izsmidzināt uz līdzenas virsmas alternatīvos slāņos ar vadošu polimēru, kas novērš salipšana. Bet Kotovs atklāja, ka šāda veida slāņa slāņa montāžu var vēl vairāk vienkāršot sarežģītai trīsdimensiju virsmai, piemēram, kokvilnas pavedienam: šķiedru mudžeklis nodrošina struktūras veidni, kas ļauj viņam vienkārši iegremdēt pavedienu šķīdumā, kas satur gan polimērs, gan caurules. Ar polimēru pielīmētas pie vītnes, nanocaurules veido tīklu ar labām elektriskām īpašībām, caurules pārklājas, bet atrodas labi.

Metode rada gludu, jaudīgu un daudz valkājamāku alternatīvu sarežģītiem viedajiem tekstilizstrādājumiem, kas ietver smagas, apjomīgas optiskās šķiedras vai korozijai pakļautas metāla stieples. Kamēr Kotovs pēta vairākus iespējamos šo tekstilizstrādājumu pielietojumus, vissvarīgākais, pēc viņa teiktā, būtu biosensori, lai nodrošinātu cilvēku drošību. Tos varētu izmantot, lai konstatētu asins zudumu karavīriem attālinātās patruļās vai atklātu gaisā esošus alergēnus vai patogēnus, piemēram, gripu. Diegi ir lēti un pietiekami jutīgi, lai tos varētu izmantot rūpnīcās vai veikalos, vai pat mājās, piemēram, lai pārbaudītu, vai zemesriekstu sviestā nav toksisku vielu.

Ātrā iegremdēšana
Kotova laboratorijā maģistrants Jian Zhu sajauc komerciāli pieejamas vienas sienas nanocaurules un polimēru, ko sauc par Nafion, etanolā, kas neļauj komponentiem salipt kopā. Nafion pielīmē nanocaurules pie kokvilnas, taču tas vēl nav viss. Nafion, gara, vadoša molekula, kas galvenokārt sastāv no oglekļa, darbojas kā maza atspere, ļaujot katrai nanocaurulei veikt zināmu neatkarīgu kustību. Šī mehāniskā īpašība, kas ir būtiska biosensēšanai, ļauj arī kokvilnai saglabāt savu maigumu un dot: jūs nevēlaties valkāt kreklu, kas pārklāts ar stingru epoksīdu.

Džu no spoles izgriež parastu kokvilnas diegu un izmanto pinceti, lai iegremdētu to tintes-melnajā šķīdumā. Pēc tam, kad tas ir nostāvējies divas minūtes, viņš izvelk diegu un izmanto saistspraudni, lai pakarinātu to laboratorijas pārsegā, lai tas nožūtu. Šo procesu var saīsināt tikai līdz dažām minūtēm, izmantojot fēnu. Vītnes elektriskā pretestība ir optimizēta, konstatējis Kotovs, kad tā ir iegremdēta apmēram 10 reizes.

Grupas studentu birojā Zhu demonstrē gatavā nanocaurules diega elektroniskās īpašības, kas neatšķiras no parastās melnās kokvilnas. Viņš pievieno to elektriskajiem kontaktiem uz baltas gaismas diodes, izmantojot parasto lodmetālu, un pēc tam izvelk vītnes galus caur barošanas avota pozitīvajiem un negatīvajiem spailēm. Viņš pagriež strāvas avotu līdz trim voltiem, un gaisma spīd spilgti.

Vienkāršs papildinājums
No pirmā acu uzmetiena mazā gaisma nav īpaši iespaidīga. Bet trīs volti ir pietiekami daudz jaudas, lai pavedieni varētu veikt tādas funkcijas kā biosensēšana. Kotovs var pārvērst nanocaurules tekstilizstrādājumus sensoros, vienkārši iekļaujot antivielas sākotnējā etanola šķīdumā. Tā kā antivielas ir jutīgas pret karstumu, pētnieki ļauj materiālam izžūt, nevis izmanto matu žāvētāju; pretējā gadījumā process ir tāds pats. Antivielu pievienošana izraisa šķiedras rezistences izmaiņas atkarībā no antivielas mērķa molekulas koncentrācijas. Džu ņem pavedienu, kas apstrādāts ar šķīdumu, kas satur antivielu pret cilvēka asins proteīna albumīna versiju, un pievieno to multimetram, kas nodrošina vītnei vienmērīgu spriegumu un ļauj viņam vērot, kā mainās tā pretestība. Kad viņš iegremdē šķiedru atšķaidītā asiņu šķīdumā, diega pretestība samazinās no 60 kiloomiem līdz 20.

Kad kokvilnu iemērc nanocauruļu, Nafion un antivielu šķīdumā, antivielas tiek fiziski notvertas nanocauruļu tīklu krustpunktos. Kad asins molekulas pielīp apstrādātajam audumam, šīs antivielas pievienojas plazmā esošajam albumīnam. Albumīna-antivielu komplekss, kas ļoti labi šķīst asinīs, atdalās no nanocaurulēm, ļaujot tām satuvināties. Tā kā strāva pārvietojas starp nanocaurulēm ar kvantu tunelēšanas palīdzību, būtībā lecot no caurules uz cauruli, nelielas attāluma izmaiņas starp tām var izraisīt milzīgas pretestības izmaiņas, skaidro Kotovs. Pretestības samazināšanās, kas rodas, antivielām atdaloties no pavediena, ir ticamāks albumīna koncentrācijas mērījums nekā vadītspējas samazināšanās. Samazinātu vadītspēju var izraisīt netīrumi vai citi piesārņotāji, bet pretestības samazināšanās liecina tikai par vienu lietu: albumīnu un tādējādi izlijušām asinīm. Savienots ar plaukstdatoru, kas spēj interpretēt un pat pārraidīt rezultātus, apģērbs, kas izgatavots no šādā veidā apstrādāta auduma, var radīt briesmu signālu, ja, piemēram, esat bezsamaņā, saka Kotovs.

Antivielu izmantošana arī padara šo noteikšanas mehānismu ļoti specifisku: ja audums tiek pakļauts liellopu asinīm, kas satur nedaudz atšķirīgu albumīna formu, tā rezistence nemainās. Apstrādāti ar antivielām pret citiem proteīniem, šādi audumi var palīdzēt ārstiem uzraudzīt slimnīcu pacientus, lai konstatētu infekcijas, vai brīdināt astmas slimniekus par alergēniem, saka Kotovs. Un šī metode ir tik vienkārša, jutīga un potenciāli lēta, ka uz šķiedrām balstītus nanocauruļu sensorus varētu pat izmantot jauno mikroshēmu detektoru vietā, lai pārbaudītu asins paraugus, lai noteiktu tādu slimību pazīmes kā vēzis.

Lai gan Kotova sensori ir ļoti uzticami, tie nav atkārtoti lietojami: tiklīdz antivielas atdalās no nanocaurulēm, tās tiek nomazgātas, tāpēc audums otrreiz nevar noteikt proteīnus. Kotovs saka, ka audumiem jābūt pietiekami lētiem vienreizējai lietošanai. Viņš arī strādā pie atkārtoti lietojamām versijām, mainot ķīmiju, lai antivielas pēc noteikšanas atbrīvotu savus mērķus un paliktu audumā.

Kotovs jau sadarbojas ar Nico Technologies, lai izstrādātu apģērbus, kas izgatavoti no tekstilizstrādājumiem, kas paredzēti neizpaužamam militāram un civilam lietojumam. Tomēr viņš atzīmē, ka turpmākajos apģērbos var būt ietverti dažāda veida pārklāti pavedieni, no kuriem katrs tiek apstrādāts ar citu funkciju. Viņš saka, ka apģērbā ir nepieciešams tikai viens [ar nanocaurulēm apstrādāts] pavediens, un visi nanotehnoloģiju pamatsasniegumi ir tur.

paslēpties