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未來的醫療設備和電腦 用細菌製造?

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/07/12
從左到右,一瓶石墨(Gr),就像在普通鉛筆中找到的那種;一小瓶氧化石墨烯(GO),透過剝落Gr產生 - 脫落材料層 - 並將其與細菌Shewanella混合; 一小瓶所得產品 - 石墨烯材料(mrGO),以及化學生產的一小瓶石墨烯材料(crGO)。Anne Meyer實驗室生產的石墨烯材料,明顯比化學生產的石墨烯材料薄。圖片來源:代爾夫特理工大學Benjamin Lehner

為了創造新的和更有效的電腦、醫療設備和其他先進技術,研究人員正在轉向奈米材料。

石墨烯,一種像原子一樣薄的碳薄片,是一種革命性的奈米材料,因為它具有容易導電的能力,以及非凡的機械強度和柔韌性。然而,將其用於日常應用的一個主要障礙,是大規模生產石墨烯的同時,仍保留其驚人的性能。

在《ChemistryOpen》期刊上發表的一篇論文中,羅切斯特大學生物學副教授Anne S. Meyer和她在荷蘭代爾夫特理工大學的同事,描述了克服這一障礙的方法。研究人員概述了他們使用一種將氧化石墨與細菌混合的新技術,來生產石墨烯材料的方法。與生產石墨烯材料相比,他們的方法是一種更具成本效益、省時且環保的石墨烯材料生產方式,可以創造出創新的電腦技術和醫療設備。

石墨烯是從普通鉛筆中發現的石墨中提取的。在一個原子厚度,石墨烯是研究人員已知最薄,但最強的二維材料。來自英國曼徹斯特大學的科學家,因發現石墨烯而獲得2010年諾貝爾物理學獎。然而,他們使用膠帶製造石墨烯的方法,僅產生少量材料。

Meyer 說:「真正的應用需要大量。生產這些大量產品具有挑戰性,通常會導致石墨更濃、更不純淨。」

為了生產更大量的石墨烯材料,研究團隊開始使用一小瓶石墨。他們將剝落石墨材料層,生產氧化石墨烯(GO),然後將其與細菌Shewanella混合。他們將細菌和前體材料的燒杯放置過夜,在此期間細菌將GO還原為石墨烯材料。

「氧化石墨烯易於生產,但由於其中含有所有氧基團,因此不太導電,」Meyer說。「這種細菌會去除大部分氧氣,使其變成導電材料。」

雖然Meyer實驗室中產生的細菌生產的石墨烯材料具有導電性,但它比化學生產的石墨烯更薄且更穩定。它還可以儲存更長的時間,使其非常適合各種應用,包括場效電晶體(field effect transistor, FET)生物傳感器和導電油墨。FET生物傳感器是檢測生物分子的裝置,並且可以用於執行例如糖尿病患者的即時葡萄糖監測。

Meyer表示,當生物分子與設備結合時,它們會改變表面的電導,發出分子存在的信號。為了製造出良好的FET生物傳感器,需要一種高導電性的材料,但也可以進行修飾以與特定分子結合。 已經還原的氧化石墨烯是理想的材料,因為它重量輕且非常導電,但通常保留少量可用於結合目標分子的氧基團。

細菌生產的石墨烯材料也可以是導電油墨的基礎,又可以用於製造更快和更有效的電腦鍵盤、電路板或小線,例如用於解凍汽車擋風玻璃的那些。Meyer說,相較於傳統技術,使用導電油墨是一種更容易、更經濟生產電路的方法。導電油墨也可用於在非傳統材料(如織物或紙張)之上生產電路。

「我們的細菌生產的石墨烯材料將更好地適應產品開發,」Meyer說。「我們甚至能夠開發出“細菌光刻”技術,來製造僅在一側導電的石墨烯材料,而這可以開發出新的先進奈米複合材料。」