石墨烯量子晶体管或可用于医疗电子领域

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在基因组测序技术领域,科学家在不断追求速度更快、成本更低的方法和设备。最近,美国伊利诺斯大学厄本那—香槟分校最近开发出了一种新奇的方法:把石墨烯纳米带(GNR)夹在两层有纳米孔(内径约1纳米)的固体膜中间,再让DNA分子穿过这种“三明治”设备,以此来感知辨认所通过的DNA碱基对。

 

研究人员设计的DNA感测器是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备,能探测DNA链的旋转和位置结构。实现这一点的关键是利用了石墨烯的电学性质,制成的GNR可以多方调节,改变它的边缘形状、载流子浓度、纳米孔位置等,由此来调节它的电导率和对外部电荷的灵敏度。

 

“在这一专业领域,当前主要的实验研究是模型模拟。”这里面临着许多难题和挑战,让-皮埃尔·莱伯顿教授介绍说,常用的密度泛函理论(DFT,一种物理学和化学中所用的量子力学模型方法,用于研究多物体系统的电子结构),仅限于固体系统中,而我们所处理的是一种固—液混合系统。此外,DFT还要对石墨烯纳米带假设一些过于简单和理想化的条件,比如GNR宽度要一致,边缘要规则,纳米孔还要位于石墨烯带的中心,没有电解液的静电穿透等。

 

“在我们的方法中,我们使用一种多轨道紧绑(TB)技术,比DFT处理的原子数量要大得多,而且考虑了GNR宽度不一,边缘不规则,以及纳米孔大小和位置不同等问题。”莱伯顿解释说。此外,他们用一种多尺度法处理了双混系统。

 

研究人员指出,其他领域也可能从这项研究中受益。比如开发新的小型生物电子设备,广泛用于个体化医疗。莱伯顿说:“从更广泛的意义上说,这是生物学与纳米电子学在分子水平上的互动。纳米电子设备带给我们控制生物信息的可能,利用生物处理海量信息的能力,开辟信息处理技术的新天地。”