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慢转革命?石墨烯研究产生新的生物传感器,无人机“皮肤”和分子过滤器

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几十年来,石墨烯一直被认为是“未来的材料”,似乎总是距离它的鼎盛时期还有几年的时间。然而,多个行业的持续研究工作继续产生有希望的结果,包括石墨烯生物传感器,石墨烯“皮肤”无人机和纳米级过滤器等创新。

我们多年来一直听说石墨烯以及它的使用如何标志着包括电子设备在内的多少东西的设计和制造的真正革命。 

然而,利用石墨烯的潜力已经证明是复杂的。制造极其困难,因此通常不能作为建筑材料。尽管存在这些困难,但对石墨烯的积极研究仍在继续。

下面简要回顾一下为什么石墨烯如此受到追捧,并看看它到目前为止在哪里找到应用。

 

什么是石墨烯?

石墨烯是纯碳的结晶形式(或同素异形体),如煤,木炭或石墨。虽然石墨烯的概念多年来被科学家理论化,但它在2004年由 曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov完全孤立和定性  。为了表彰他们的工作,他们在2010年获得了诺贝尔物理学奖。 

由于其独特的原子间结构,石墨烯比钢强100倍以上,但它具有弹性。石墨烯形成六边排列的碳原子片,通过单键和双键连接。

 

石墨烯的基本结构

 

石墨烯几乎完全平坦 - 第三维只有一个碳原子厚 - 促使一些人将石墨烯称为“二维材料”。

更重要的是(至少对于生物传感器开发而言),它是比碳更好的导电体。 

 

生物学符合物理学:石墨烯生物传感器

石墨烯的小规模应用在某些方面缓慢但肯定变得实用。使用3D打印方法,可以将石墨烯沉积在表面上以构建晶体管。这种晶体管被用作新型生物传感器的基础。

 

使用石墨烯晶体管创建生物传感器

石墨烯是如此强大有效的导体的原因是它具有零带隙,这意味着将电子从其围绕一个碳原子的轨道移动到相邻碳原子的轨道中需要可忽略的能量。正是这种不受约束的电子流是导体的定义。

然而,为了制造晶体管,需要的是半导体,有时导电的东西,有时则不导电。因此,为了使石墨烯用作半导体,必须临时产生带隙,将石墨烯从导体改变为非导体。如果可以通过施加外部刺激来创建带隙,那么我们就有了一个晶体管。

生物传感器是记录与其设计用于检测的生物标记物(例如抗体或抗原ICfans)的浓度成比例的电响应的装置。在更简单的情况下,如果生物实体的浓度达到可检测水平,则生物传感器简单地打开,就像开关一样。如果可以操纵生物实体的存在以影响我们的石墨烯晶体管的带隙,则形成功能正常的生物传感器。

 

正在进行的研究

澳大利亚Wayville的Archer Exploration - 与阿德莱德大学ARC Graphene Hub合作 - 与尚未命名的德国生物技术公司达成协议。澳大利亚人将提供石墨烯墨水和已经存在的印刷石墨烯电极等材料。德国实体将提供将与传感器检测的标记物反应的抗原。

下图表示由石墨烯基油墨开发的石墨烯电极。它们代表了Archer Exploration和ARC Graphene Hub之间的合作。

 


 

根据Archer提供的新闻稿,这种全球合作伙伴关系的目的是“为制造概念验证生物传感器做出贡献,该生物传感器包含能够检测疾病状态标记的可印刷组分,如抗体或抗原。”

可以预期,除了生产生物传感器之外,这种合作将不仅提高石墨烯油墨的现有技术水平,而且提高基于石墨烯的技术的整体可扩展性和实用性。所以,也许我们会看到那些超轻型建筑材料,超快速量子晶体管和车载电池,它们在几分钟内而不是我们想象的时间内充电。

 

用石墨烯片制作透析膜

甚至石墨烯片中的缺陷也证明是有用的。麻省理工学院宣布,石墨烯膜中有目的的纳米尺寸的毛孔与邮票的大小相同,使得这种材料可以作为一种分子分裂过滤器。

 

麻省理工学院的邮票大小的石墨烯片。照片由Felice Frankel通过麻省理工学院新闻提供。 

 

具有纳米孔的单原子厚的过滤器可以允许例如生化透析的进步,其中过滤器可以从溶液中去除特定分子。通过影响石墨烯片制造的温度,可以控制这些孔的尺寸并过滤特定尺寸的分子。这与MIT独特的用氧等离子体蚀刻孔隙的方法相结合,使得制造这些过滤器对于可扩展制造更加易于管理。

航空航天中的石墨烯

在较小规模的应用可以使用纯石墨烯的情况下,当石墨烯用于复合材料时,大规模应用成为可能。

由于其强度和柔韧性,石墨烯复合材料一直被认为是用于航空航天应用的有前途的材料。当然,石墨烯,航空航天工业和印刷机之间的关系也在其受欢迎程度上受到重视。2017年3月,维珍大西洋的理查德布兰森爵士声称,石墨烯是一项“突破性”技术,它将在10年内改变航空业,主要是通过使用石墨烯复合材料的轻型飞机,这种复合材料需要更少的燃料才能飞行。

从该声明开始的一年,确认或驳斥布兰森的主张几乎没有什么进展。然而,在过去几年中,石墨烯已经在各种实验应用中实施。

今年7月,来自英国中央兰开夏大学的工程师以及行业合作伙伴  首次公布了Juno,这是一款小型半导体轻型无人机,带有石墨烯“皮肤” - 这是同类产品中的第一款。

 

UCLan团队和Juno。

 

包含石墨烯的市售产品的数量正在增加。轻型轮椅,手表,自行车车架,电池,甚至使用石墨烯复合材料的纺织品已进入商业市场。鉴于BIS Research今天发布的  市场情报报告  预测到2023年“全球石墨烯增强复合材料”市场将达到3480亿美元,这一趋势不太可能放缓。

与此同时,对于石墨烯如何改变世界各地的工业,研究比比皆是,并且希望仍然很高。事实证明,石墨烯的“革命”可能会在我们等待它到来的时候发生。