Nanovamzdeliai ateina į madą

Chemijos inžinierius Nikolajus Kotovas mano, kad elegancija yra tokia pat svarbi moksliniame projekte, kaip ir mene bei architektūroje. Sėdėdamas savo griežtame biure Mičigano universitete, Ann Arbore, jis demonstruoja juodos medvilnės pavyzdį; stora ir jaustis panaši į minkštus, lengvus marškinius. Tačiau Kotovas audinį pavertė biojutikliu ir elektros laidininku, tiesiog panardindamas jį į anglies nanovamzdelių, antikūnų ir polimero tirpalą.

Nikolajus Kotovas savo laboratorijoje Mičigano universitete, kur jis gamina anglies nanovamzdeliais apdorotą tekstilę, kaip ir dešinėje rankoje.

Atskiri, gerai suformuoti anglies nanovamzdeliai yra labai laidūs, todėl jie yra perspektyvūs naudoti, pavyzdžiui, akumuliatorių elektrodams ir mikroprocesoriams. Jei molekulės, tokios kaip antikūnai, yra pritvirtintos prie jų paviršiaus, jos taip pat gali būti labai jautrūs cheminiai detektoriai: kai antikūnas prisijungia prie savo taikinio, nanutobo elektrinės savybės išmatuojamai pakinta. Tačiau nanovamzdeliai linkę sulipti, o tai neleidžia jiems veikti atskirai. Tai labai pablogina jų elektronines savybes, sako Kotovas.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Šią problemą galima išspręsti įvairiais būdais: nanovamzdelius galima kruopščiai kloti po vieną, naudojant metodus, apimančius kelias dienas trunkantį tirpalo apdorojimą, po kurio atliekama fotolitografija, arba vamzdelius ant plokščio paviršiaus galima purkšti ant plokščio paviršiaus pakaitiniais sluoksniais laidžiu polimeru, kuris neleidžia sulipimas. Tačiau Kotovas nustatė, kad tokio tipo sluoksnių surinkimas gali būti dar labiau supaprastintas sudėtingam trimačiui paviršiui, pavyzdžiui, medvilniniam siūlui: pluoštų raizginys suteikia struktūrinį šabloną, leidžiantį jam tiesiog panardinti siūlą į tirpalą, kuriame yra tiek polimeras, tiek vamzdeliai. Priklijuoti prie sriegio polimeru, nanovamzdeliai sudaro tinklą su geromis elektrinėmis savybėmis, vamzdeliai persidengia, bet gerai išdėstyti.

Metodas sukuria aptakią, galingą ir daug labiau nešiojamą alternatyvą sudėtingoms išmaniosioms tekstilės gaminiams, kuriuose yra sunkių, didelių gabaritų optinių skaidulų arba korozijai jautrių metalinių laidų. Kol Kotovas tiria daugybę galimų šios tekstilės pritaikymo būdų, svarbiausia, jo teigimu, būtų biojutikliai, kad žmonės būtų saugūs. Jie gali būti naudojami nuotoliniu būdu patruliuojantiems kareiviams nustatyti kraujo netekimą arba aptikti ore esančius alergenus ar patogenus, tokius kaip gripas. Siūlai yra pigūs ir pakankamai jautrūs, kad juos būtų galima naudoti gamyklose ar parduotuvėse ar net namuose, pavyzdžiui, norint patikrinti, ar žemės riešutų sviesto partijoje nėra toksinų.

Greitas panirimas
Kotovo laboratorijoje absolventas Jian Zhu sumaišo parduodamus vienasienius nanovamzdelius ir polimerą, vadinamą Nafion, į etanolį, kuris neleidžia komponentams sulipti. Nafion priklijuoja nanovamzdelius prie medvilnės, bet tai dar ne viskas. Nafionas, ilga, laidžioji molekulė, daugiausia sudaryta iš anglies, veikia kaip mažytė spyruoklė, leidžianti kiekvienam nanovamzdeliui tam tikru mastu judėti nepriklausomai. Ši mechaninė savybė, kuri yra labai svarbi biologiniam jautrumui, taip pat leidžia medvilnei išlaikyti minkštumą ir suteikti: jūs nenorėtumėte dėvėti marškinių, padengtų standžia epoksida.

Zhu nupjauna iš ritės įprastą medvilninį siūlą ir pincetu panardina jį į juodos spalvos tirpalą. Po to, kai jis stovi dvi minutes, jis ištraukia siūlą ir segtuvu pakabina jį, kad išdžiūtų laboratorijos gaubte. Šį procesą galima sutrumpinti iki kelių minučių naudojant plaukų džiovintuvą. Sriegio elektrinė varža optimizuota, nustatė Kotovas, kai jis buvo paniręs apie 10 kartų.

Grupės studentų biure Zhu demonstruoja gatavo nanovamzdelio gijos elektronines savybes, kurios nesiskiria nuo paprastos juodos medvilnės. Jis pritvirtina jį prie balto šviesos diodo elektrinių kontaktų, naudodamas įprastą lydmetalą, tada pertraukia sriegio galus per teigiamus ir neigiamus maitinimo šaltinio spaustukus. Jis įjungia maitinimo šaltinį iki trijų voltų, o šviesa šviečia ryškiai.

Paprastas papildymas
Mažytė šviesa iš pirmo žvilgsnio nėra labai įspūdinga. Tačiau trijų voltų pakanka, kad siūlai galėtų atlikti tokias funkcijas kaip biologinis jutimas. Kotovas gali paversti nanovamzdelių tekstilę jutikliais tiesiog įtraukdamas antikūnus į pradinį etanolio tirpalą. Kadangi antikūnai yra jautrūs karščiui, mokslininkai leido medžiagai išdžiūti ore, o ne naudojo plaukų džiovintuvą; kitu atveju procesas yra tas pats. Pridėjus antikūnų pluošto atsparumas kinta priklausomai nuo antikūno tikslinės molekulės koncentracijos. Zhu paima siūlą, apdorotą tirpalu, kuriame yra antikūnų prieš žmogaus kraujo baltymo albumino versiją, ir prijungia jį prie multimetro, kuris tiekia pastovią įtampą siūlui ir leidžia stebėti, kaip keičiasi jo atsparumas. Kai jis paverčia pluoštą praskiesta kraujo tirpalu, siūlų varža sumažėja nuo 60 kiloomų iki 20.

Kai medvilnė panardinama į nanovamzdelių, Nafion ir antikūnų tirpalą, antikūnai fiziškai įstringa nanovamzdelių tinklų sankirtose. Kai kraujo molekulės prilimpa prie apdoroto audinio, šie antikūnai prisijungia prie plazmoje esančio albumino. Albumino ir antikūnų kompleksas, kuris labai tirpsta kraujyje, atsiskiria nuo nanovamzdelių, todėl jie gali priartėti vienas prie kito. Kadangi srovė tarp nanovamzdelių keliauja kvantinio tuneliavimo būdu, iš esmės šokinėjant iš vamzdelio į vamzdelį, nedidelis atstumo tarp jų pasikeitimas gali sukelti didžiulius atsparumo pokyčius, aiškina Kotovas. Atsparumo sumažėjimas, atsirandantis, kai antikūnai atsiskiria nuo siūlų, yra patikimesnis albumino koncentracijos matavimas nei laidumo sumažėjimas. Sumažėjusį laidumą gali lemti nešvarumai ar kiti teršalai, tačiau atsparumo sumažėjimas yra tik vieno dalyko požymis: albumino, taigi išsiliejusio kraujo. Prijungtas prie delninio kompiuterio, galinčio interpretuoti ir net perduoti rezultatus, drabužiai iš tokiu būdu apdoroto audinio gali generuoti nelaimės signalą, jei, pavyzdžiui, esate be sąmonės, sako Kotovas.

Naudojant antikūnus, šis aptikimo mechanizmas taip pat labai specifiškas: kai audinys yra veikiamas galvijų kraujo, kuriame yra šiek tiek kitokios formos albumino, jo atsparumas nekinta. Apdoroti antikūnais prieš kitus baltymus, tokie audiniai gali padėti gydytojams stebėti ligoninių pacientus dėl infekcijų arba įspėti astmatikus apie alergenus, sako Kotovas. Ir šis metodas yra toks paprastas, jautrus ir potencialiai pigus, kad skaiduliniai nanovamzdelių jutikliai netgi gali būti naudojami vietoj naujų lustinių detektorių kraujo mėginiams tirti dėl ligų, tokių kaip vėžys, požymių.

Kotovo jutikliai, nors ir labai patikimi, nėra pakartotinai naudojami: kai antikūnai atsiskiria nuo nanovamzdelių, jie nuplaunami, todėl audinys negali aptikti baltymų antrą kartą. Kotovas sako, kad audiniai turėtų būti pakankamai nebrangūs vienkartiniam naudojimui. Jis taip pat dirba su daugkartinio naudojimo versijomis, keičia chemiją taip, kad antikūnai išlaisvintų savo taikinius po aptikimo ir liktų audinyje.

Kotovas jau bendradarbiauja su „Nico Technologies“, kurdamas drabužius, pagamintus iš tekstilės, skirtus neskelbtam kariniam ir civiliniam pritaikymui. Tačiau jis pažymi, kad būsimuose drabužiuose gali būti įvairių tipų dengtų siūlų, kurių kiekvienas bus apdorotas pagal skirtingą funkciją. Jis sako, kad drabužyje reikia tik vieno [nanovamzdeliu apdoroto] siūlo, ir yra visi pagrindiniai nanotechnologijų pasiekimai.

paslėpti