Nanorør kommer på mode

Elegance er lige så vigtig i videnskabeligt design, som det er i kunst og arkitektur, mener kemiingeniør Nicholas Kotov. Siddende på sit strenge kontor ved University of Michigan i Ann Arbor viser han en farveprøve af sort bomuld; i tyngde og føler, at det ligner en blød, let kjoleskjorte. Men Kotov har omdannet stoffet til en biosensor og en elektrisk leder ved blot at dyppe det i en opløsning af kulstofnanorør, antistoffer og en polymer.

Nicholas Kotov i sit laboratorium på University of Michigan, hvor han laver kulstof-nanorør-behandlede tekstiler som det i hans højre hånd.

Individuelle, velformede kulstofnanorør er stærkt ledende, hvilket gør dem lovende til applikationer som batterielektroder og mikroprocessorer. Hvis molekyler såsom antistoffer er forankret til deres overflade, kan de også tjene som meget følsomme kemiske detektorer: Når et antistof binder til sit mål, ændres nanutobens elektriske egenskaber målbart. Men nanorør har en tendens til at klumpe sammen, hvilket forhindrer dem i at fungere individuelt. Det forringer deres elektroniske egenskaber alvorligt, siger Kotov.

Denne historie var en del af vores maj 2009-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Der er måder at løse dette problem på: nanorør kan omhyggeligt lægges ned, et efter et, ved hjælp af metoder, der involverer dages opløsningsbehandling efterfulgt af fotolitografi, eller rørene kan sprøjtes på en flad overflade i skiftende lag med en ledende polymer, som forhindrer klumper sig. Men Kotov fandt ud af, at denne type lag-for-lag samling kan forenkles yderligere for en kompleks tredimensionel overflade, såsom en bomuldstråd: virvaret af fibre giver en strukturel skabelon, der gør det muligt for ham blot at dyppe tråden i en opløsning, der indeholder både polymeren og rørene. Limet til tråden af ​​polymeren danner nanorørene et net med gode elektriske egenskaber, rørene overlapper hinanden, men med god afstand.

Metoden resulterer i et slankt, kraftfuldt og meget mere slidstærkt alternativ til komplekse intelligente tekstiler, der inkorporerer tunge, voluminøse optiske fibre eller korrosionsudsatte metaltråde. Mens Kotov udforsker en række mulige anvendelser for disse tekstiler, vil den vigtigste, siger han, være som biosensorer for at holde folk sikre. De kunne bruges til at opdage blodtab hos soldater på fjernpatruljer eller til at opdage luftbårne allergener eller patogener såsom influenza. Og trådene er billige og følsomme nok til mulig brug i fabrikker eller butikker, eller endda i hjemmet - for eksempel til at teste et usikkert parti jordnøddesmør for toksiner.

En hurtig dukkert
I Kotovs laboratorium blander kandidatstuderende Jian Zhu kommercielt tilgængelige enkeltvæggede nanorør og en polymer kaldet Nafion til ethanol, som forhindrer komponenterne i at klæbe sammen. Nafion limer nanorørene til bomulden, men det er ikke alt, den gør. Nafion, et langt, ledende molekyle, der primært består af kulstof, fungerer som en lille fjeder, der tillader hvert nanorør en vis grad af uafhængig bevægelse. Denne mekaniske egenskab, som er afgørende for biosensing, gør det også muligt for bomulden at bevare sin blødhed og give: du ønsker ikke at bære en skjorte belagt med stiv epoxy.

Zhu klipper en længde af almindelig bomuldstråd fra en spole og bruger en pincet til at nedsænke den i den blæk-sorte opløsning. Når den har siddet i to minutter, fisker han tråden ud og bruger en bindeklemme til at hænge den op til tørre inde i en laboratoriehætte, en proces, der kan forkortes til kun et par minutter med en hårtørrer. Trådens elektriske modstand er optimeret, har Kotov fundet, når den er blevet dyppet omkring 10 gange.

På gruppens elevkontor demonstrerer Zhu de elektroniske egenskaber af en færdig nanorørstråd, som ikke kan skelnes fra almindelig sort bomuld. Han fastgør den til de elektriske kontakter på en hvid lysemitterende diode ved hjælp af almindelig loddemetal, og trækker derefter enderne af tråden gennem de positive og negative klip på en strømkilde. Han skruer op for strømkilden til tre volt, og lyset skinner stærkt.

Enkel tilføjelse
Det lille lys er ved første øjekast ikke særlig imponerende. Men tre volt er strøm nok til, at trådene kan udføre funktioner som biosensing. Kotov kan forvandle nanorørtekstilerne til sensorer blot ved at inkludere antistoffer i den indledende ethanolopløsning. Fordi antistoffer er følsomme over for varme, lader forskerne materialet lufttørre i stedet for at bruge en hårtørrer; ellers er processen den samme. Tilsætningen af ​​antistofferne får fiberens modstand til at variere med koncentrationen af ​​antistoffets målmolekyle. Zhu tager en tråd, der er behandlet med en opløsning, der indeholder antistoffet mod den humane version af blodproteinet albumin og kobler den til et multimeter, som leverer konstant spænding til tråden og giver ham mulighed for at se, hvordan dens modstand ændrer sig. Mens han dypper fiberen ned i en fortyndet opløsning af blod, falder trådens modstand fra 60 kiloohm til 20.

Når bomulden dyppes i en opløsning af nanorør, Nafion og antistoffer, fanges antistofferne fysisk ved skæringspunkter i nanorørsnettene. Når blodmolekyler klæber til det behandlede stof, binder disse antistoffer sig til albuminet i plasma. Albumin-antistofkomplekset, som er meget opløseligt i blod, løsner sig fra nanorørene, så de kan bevæge sig tættere på hinanden. Fordi strømmen bevæger sig mellem nanorør ved hjælp af kvantetunnel, i det væsentlige hopper fra rør til rør, kan en lille ændring i afstanden mellem dem føre til enorme ændringer i modstanden, forklarer Kotov. Faldet i resistens, der opstår, når antistofferne løsnes fra tråden, er en mere pålidelig måling af albuminkoncentrationen, end et fald i ledningsevnen ville være. Nedsat ledningsevne kan være forårsaget af snavs eller andre forurenende stoffer, men et fald i modstand er kun et tegn på én ting: albumin og dermed spildt blod. Tilsluttet en PDA, der er i stand til at fortolke og endda transmittere resultaterne, kan tøj lavet af stof behandlet på denne måde generere et nødsignal, hvis du for eksempel er bevidstløs, siger Kotov.

Brug af antistoffer gør også denne påvisningsmekanisme meget specifik: Når stoffet udsættes for bovint blod, som indeholder en lidt anderledes form for albumin, ændres dets modstandsdygtighed ikke. Behandlet med antistoffer mod andre proteiner kan sådanne stoffer hjælpe læger med at overvåge hospitalspatienter for infektioner eller advare astmatikere om allergener, siger Kotov. Og metoden er så enkel, følsom og potentielt billig, at fiberbaserede nanorørsensorer endda kan bruges i stedet for nye chip-baserede detektorer til at teste blodprøver for tegn på sygdomme som kræft.

Kotovs sensorer, selvom de er meget pålidelige, kan ikke genbruges: Når antistofferne løsner sig fra nanorørene, vaskes de væk, så stoffet kan ikke opdage proteiner en anden gang. Kotov siger, at stofferne skal være billige nok til engangsbrug. Han arbejder også på genanvendelige versioner og ændrer kemien, så antistofferne frigiver deres mål efter påvisning og forbliver i stoffet.

Kotov arbejder allerede sammen med Nico Technologies om at udvikle beklædningsgenstande fremstillet af tekstilerne til hemmelige militære og civile anvendelser. Men han bemærker, at fremtidige beklædningsgenstande kan omfatte forskellige typer coated tråd, hver behandlet for en anden funktion. Du behøver bare en enkelt [nanorørbehandlet] tråd i et tøj, siger han, og alle de grundlæggende fremskridt inden for nanoteknologi er der.

skjule