Les nanorubans de graphène (GNR) se plient et se tordent facilement en solution, les rendant adaptables à des usages biologiques comme l'analyse de l'ADN, délivrance de médicaments et applications biomimétiques, selon les scientifiques de l'Université Rice.

Connaître les détails du comportement des GNR dans une solution aidera à les rendre adaptés à une large utilisation en biomimétisme, selon le physicien de Rice Ching-Hwa Kiang, dont le laboratoire a utilisé ses capacités uniques pour sonder des matériaux à l'échelle nanométrique tels que des cellules et des protéines dans des environnements humides. Les matériaux biomimétiques sont ceux qui imitent les formes et les propriétés des matériaux naturels.

La recherche menée par le récent diplômé de Rice Sithara Wijeratne, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Harvard, paraît dans la revue Nature Rapports scientifiques .

Les nanorubans de graphène peuvent être des milliers de fois plus longs que larges. Ils peuvent être produits en vrac en "décompressant" chimiquement des nanotubes de carbone, un procédé inventé par le chimiste Rice et co-auteur James Tour et son laboratoire.

Leur taille leur permet d'opérer à l'échelle de composants biologiques comme les protéines et l'ADN, dit Kiang. « Nous étudions les propriétés mécaniques de toutes sortes de matériaux, des protéines aux cellules, mais un peu différent de la façon dont les autres le font, " dit-elle. " Nous aimons voir comment les matériaux se comportent en solution, parce que c'est là que se trouvent les choses biologiques. » Kiang est un pionnier dans le développement de méthodes pour sonder les états énergétiques des protéines lorsqu'elles se replient et se déploient.

Elle a déclaré que Tour avait suggéré à son laboratoire d'examiner les propriétés mécaniques des GNR. "C'est un petit travail supplémentaire d'étudier ces choses en solution plutôt qu'à sec, mais c'est notre spécialité, " elle a dit.

Les nanorubans sont connus pour ajouter de la résistance mais pas du poids aux composites à l'état solide, comme les cadres de vélos et les raquettes de tennis, et former une matrice électriquement active. Un projet récent de Rice les a infusés dans un revêtement de dégivrage efficace pour les avions.

Mais dans un environnement plus spongieux, leur capacité à se conformer aux surfaces, transporter du courant et renforcer les composites pourraient également être précieux.

"Il s'avère que le graphène se comporte raisonnablement bien, quelque peu semblable à d'autres matériaux biologiques. Mais la partie intéressante est qu'il se comporte différemment dans une solution que dans l'air, " dit-elle. Les chercheurs ont découvert que, comme l'ADN et les protéines, les nanorubans en solution forment naturellement des plis et des boucles, mais peut aussi former des hélicoïdes, rides et spirales.

Kiang, Wijeratne et Jingqiang Li, co-auteur et étudiant au laboratoire Kiang, utilisé la microscopie à force atomique pour tester leurs propriétés. La microscopie à force atomique peut non seulement collecter des images haute résolution, mais également prendre des mesures de force sensibles des nanomatériaux en tirant dessus. Les chercheurs ont sondé les GNR et leurs précurseurs, nanorubans d'oxyde de graphène.

Les chercheurs ont découvert que tous les nanorubans deviennent rigides sous contrainte, mais leur rigidité augmente à mesure que les molécules d'oxyde sont éliminées pour transformer les nanorubans d'oxyde de graphène en GNR. Ils ont suggéré que cette capacité à ajuster leur rigidité devrait aider à la conception et à la fabrication d'interfaces GNR-biomimétiques.

"Les matériaux de graphène et d'oxyde de graphène peuvent être fonctionnalisés (ou modifiés) pour s'intégrer à divers systèmes biologiques, comme l'ADN, des protéines et même des cellules, " a déclaré Kiang. "Ceux-ci ont été réalisés dans des dispositifs biologiques, détection de biomolécules et médecine moléculaire. La sensibilité des bio-dispositifs au graphène peut être améliorée en utilisant des matériaux de graphène étroits comme des nanorubans. »

Wijeratne a noté que les nanorubans de graphène sont déjà testés pour une utilisation dans le séquençage de l'ADN, dans lequel des brins d'ADN sont tirés à travers un nanopore dans un matériau électrifié. Les composants de base de l'ADN affectent le champ électrique, qui peut être lu pour identifier les bases.

Les chercheurs ont vu la biocompatibilité des nanorubans comme potentiellement utile pour les capteurs qui pourraient voyager à travers le corps et rapporter ce qu'ils trouvent, un peu comme les nanoreporters du laboratoire de Tour qui récupèrent les informations des puits de pétrole.

D'autres études se concentreront sur l'effet de la largeur des nanorubans, qui vont de 10 à 100 nanomètres, sur leurs propriétés.