Способность визуально отображать силу и движение очень слабых электрических полей также может помочь в разработке так называемых устройств «лаборатория на кристалле», которые используют очень небольшие количества жидкостей на платформе, подобной микрочипу, для диагностики заболеваний или оказания помощи. в разработке лекарств, например, или в автоматизации ряда других биологических и химических анализов. Установка потенциально может быть адаптирована для обнаружения или улавливания определенных химикатов, а также для исследований световой электроники (область, известная как оптоэлектроника).Новый способ визуализации электрических полей«Это была совершенно новая, инновационная идея, что графен может быть использован в качестве материала для измерения электрических полей в жидкости», — сказал Джейсон Хорнг, соавтор исследования, опубликованного 16 декабря в Nature Communications, в котором подробно описывается первая демонстрация. этой системы визуализации на основе графена.
Хорнг связан с Kavli Energy NanoSciences Institute, объединенным институтом Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли, а также является научным сотрудником Калифорнийского университета в Беркли.Идея возникла в результате разговора между Фэн Ван, научным сотрудником отделения материаловедения лаборатории Беркли, чьи исследования сосредоточены на контроле взаимодействия света и материи на наноуровне, и Бяньсяо Цуй, который возглавляет исследовательскую группу в Стэнфордском университете, специализирующуюся на изучение передачи сигналов нервных клеток. Ван также является адъюнкт-профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, а Цуй — адъюнкт-профессором химии в Стэнфордском университете.
«Основная идея заключалась в том, как можно использовать графен в качестве очень общего и масштабируемого метода для разрешения очень небольших изменений в величине, положении и временной диаграмме местного электрического поля, таких как электрические импульсы, производимые одной нервной клеткой», сказал Халле Б. Балч, соавтор работы. Балч также является аффилированным лицом с Институтом нанонаук Kavli Energy и является аспирантом по физике в Калифорнийском университете в Беркли.
«Одна из нерешенных проблем при изучении большой сети ячеек — это понимание того, как информация распространяется между ними», — сказал Балч.Другие методы были разработаны для измерения электрических сигналов от небольших массивов ячеек, хотя эти методы может быть трудно масштабировать до более крупных массивов, и в некоторых случаях невозможно проследить отдельные электрические импульсы до конкретной ячейки.Кроме того, Цуй сказал: «Этот новый метод никоим образом не беспокоит клетки, что фундаментально отличается от существующих методов, в которых используются генетические или химические модификации клеточной мембраны».
По словам исследователей, новая платформа должна более легко позволять измерять электрические импульсы, проходящие по сетям, содержащим 100 или более живых клеток, на одной ячейке.Использование светопоглощающих свойств графенаГрафен, состоящий из ячеистой структуры атомов углерода, является центром интенсивных RD из-за его невероятной прочности, способности очень эффективно проводить электричество, высокой степени химической стабильности, скорости, с которой электроны могут перемещаться по его поверхности, и другие экзотические свойства.
Некоторые из этих исследований сосредоточены на использовании графена в качестве компонента в компьютерных схемах и экранах дисплеев, в системах доставки лекарств, а также в солнечных элементах и батареях.
В последнем исследовании исследователи впервые использовали инфракрасный свет, производимый в Advanced Light Source лаборатории Беркли, чтобы понять влияние электрического поля на поглощение графеном инфракрасного света.В эксперименте они направили инфракрасный лазер через призму на тонкий слой, называемый волноводом.
Волновод был разработан таким образом, чтобы точно соответствовать светопоглощающим свойствам графена, так что весь свет поглощался вдоль слоя графена в отсутствие электрического поля.Затем исследователи подали крошечные электрические импульсы в жидком растворе над слоем графена, которые очень незначительно нарушили поглощение света слоем графена, позволив некоторому количеству света уйти таким образом, чтобы нести точную сигнатуру электрического поля.
Исследователи сделали серию изображений этого убегающего света с интервалом в тысячные доли секунды, и эти изображения обеспечили прямую визуализацию силы электрического поля и его расположения на поверхности графена.Миллионная чувствительность вольтНовая платформа визуализации, получившая название CAGE, что означает «устройство для визуализации графенового электрического поля с критически связанной волноводной структурой», оказалась чувствительной к напряжениям в несколько микровольт (миллионных долей вольт).
Это сделает его сверхчувствительным к электрическим полям между клетками в сетях сердечных и нервных клеток, которые могут варьироваться от десятков микровольт до нескольких милливольт (тысячных долей вольта).Исследователи обнаружили, что они могут точно определить местоположение электрического поля вдоль поверхности графенового листа с точностью до десятков микрон (миллионных долей метра) и зафиксировать его силу затухания в последовательности временных шагов, разделенных всего лишь на пять миллисекунд или тысячных долей метра. второй.
В одной последовательности исследователи подробно описали положение и рассеяние или затухание локального электрического поля, создаваемого импульсом в 10 тысячных долей вольта за период около 240 миллисекунд, с чувствительностью до 100 миллионных долей вольта. вольт.Далее: живые сердечные клеткиБалч сказал, что уже есть планы протестировать платформы с живыми клетками. «Мы работаем с сотрудниками, чтобы проверить это на реальных клетках сердца», — сказала она. «Есть несколько потенциальных приложений для этого исследования в области здоровья сердца и скрининга лекарств».
По ее словам, помимо графена есть возможность использовать другие атомно-тонкие материалы для создания изображений.«Элегантность этой системы проистекает из ее универсальности», — сказал Балч. «Он может быть чувствительным ко всему, что несет заряд».