Nanobuisjes komen in de mode

Elegantie is net zo belangrijk in wetenschappelijk ontwerp als in kunst en architectuur, meent chemisch ingenieur Nicholas Kotov. Zittend in zijn sobere kantoor aan de Universiteit van Michigan, in Ann Arbor, pronkt hij met een staal van zwart katoen; in gewicht en voelt aan als een zacht, lichtgewicht overhemd. Maar Kotov heeft het weefsel omgevormd tot een biosensor en een elektrische geleider door het simpelweg in een oplossing van koolstofnanobuisjes, antilichamen en een polymeer te dompelen.

Nicholas Kotov in zijn laboratorium aan de Universiteit van Michigan, waar hij met koolstof-nanobuis behandeld textiel maakt zoals dat in zijn rechterhand.

Individuele, goed gevormde koolstofnanobuisjes zijn zeer geleidend, wat ze veelbelovend maakt voor toepassingen zoals batterij-elektroden en microprocessors. Als moleculen zoals antilichamen aan hun oppervlak zijn verankerd, kunnen ze ook dienen als zeer gevoelige chemische detectoren: wanneer een antilichaam zich aan zijn doelwit bindt, worden de elektrische eigenschappen van de nanutobe meetbaar gewijzigd. Maar nanobuisjes hebben de neiging om samen te klonteren, waardoor ze niet afzonderlijk kunnen functioneren. Dat tast hun elektronische eigenschappen ernstig aan, zegt Kotov.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2009

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Er zijn manieren om dit probleem te omzeilen: nanobuisjes kunnen nauwgezet één voor één worden neergelegd met behulp van methoden waarbij de oplossing dagenlang moet worden verwerkt gevolgd door fotolithografie, of de buisjes kunnen in afwisselende lagen op een plat oppervlak worden gespoten met een geleidend polymeer, dat voorkomt dat klonteren. Maar Kotov ontdekte dat dit type laag-voor-laag assemblage verder kan worden vereenvoudigd voor een complex driedimensionaal oppervlak zoals een katoenen draad: de kluwen van vezels biedt een structurele sjabloon waarmee hij de draad eenvoudig in een oplossing kan dopen die zowel het polymeer als de buizen. De nanobuisjes, die door het polymeer aan de draad zijn gelijmd, vormen een net met goede elektrische eigenschappen, de buizen overlappen maar goed uit elkaar.

De methode resulteert in een slank, krachtig en veel draagbaar alternatief voor complex intelligent textiel waarin zware, volumineuze optische vezels of corrosiegevoelige metaaldraden zijn verwerkt. Terwijl Kotov een aantal mogelijke toepassingen voor dit textiel onderzoekt, is het belangrijkste, zegt hij, als biosensoren om mensen te beschermen. Ze kunnen worden gebruikt om bloedverlies op te sporen bij soldaten op afgelegen patrouilles of om allergenen of ziekteverwekkers in de lucht, zoals griep, op te sporen. En de draden zijn goedkoop en gevoelig genoeg voor mogelijk gebruik in fabrieken of winkels, of zelfs thuis, bijvoorbeeld om een ​​twijfelachtige partij pindakaas te testen op gifstoffen.

Een snelle duik
In het lab van Kotov mengt afgestudeerde student Jian Zhu commercieel verkrijgbare enkelwandige nanobuisjes en een polymeer genaamd Nafion tot ethanol, dat voorkomt dat de componenten aan elkaar plakken. De Nafion lijmt de nanobuisjes op het katoen, maar dat is niet alles. Nafion, een lang, geleidend molecuul dat voornamelijk uit koolstof bestaat, werkt als een kleine veer, waardoor elke nanobuis een zekere mate van onafhankelijke beweging mogelijk maakt. Deze mechanische eigenschap, die van cruciaal belang is voor biosensing, zorgt er ook voor dat het katoen zijn zachtheid behoudt en meegeeft: je zou geen shirt willen dragen dat is gecoat met stijve epoxy.

Zhu knipt een stuk gewone katoenen draad van een spoel en dompelt het met een pincet onder in de inktzwarte oplossing. Nadat het twee minuten heeft gestaan, vist hij de draad eruit en gebruikt een bindklem om het op te hangen om te drogen in een laboratoriumkap, een proces dat met een föhn tot slechts een paar minuten kan worden verkort. De elektrische weerstand van de draad is geoptimaliseerd, ontdekte Kotov, wanneer deze ongeveer 10 keer is ondergedompeld.

In het studentenkantoor van de groep demonstreert Zhu de elektronische eigenschappen van een afgewerkte nanobuisdraad, die niet te onderscheiden is van gewoon zwart katoen. Hij bevestigt het met gewoon soldeer aan de elektrische contacten op een witte lichtdiode en trekt vervolgens de uiteinden van de draad door de positieve en negatieve clips op een stroombron. Hij zet de stroombron op drie volt, en het licht schijnt fel.

Eenvoudige toevoeging
Het kleine lampje is op het eerste gezicht niet erg indrukwekkend. Maar drie volt is genoeg voor de draden om functies zoals biosensing uit te voeren. Kotov kan het nanobuistextiel in sensoren veranderen door simpelweg antilichamen in de oorspronkelijke ethanoloplossing op te nemen. Omdat antistoffen gevoelig zijn voor warmte, laten de onderzoekers het materiaal aan de lucht drogen in plaats van een föhn te gebruiken; anders is het proces hetzelfde. De toevoeging van de antilichamen zorgt ervoor dat de weerstand van de vezel varieert met de concentratie van het doelmolecuul van het antilichaam. Zhu neemt een draad die is behandeld met een oplossing die het antilichaam bevat tegen de menselijke versie van het bloedeiwit albumine en sluit deze aan op een multimeter, die een constante spanning aan de draad levert en hem in staat stelt te kijken hoe de weerstand verandert. Terwijl hij de vezel in een verdunde oplossing van bloed dompelt, daalt de weerstand van de draad van 60 kilo-ohm naar 20.

Wanneer het katoen wordt gedompeld in een oplossing van nanobuisjes, Nafion en antilichamen, worden de antilichamen fysiek gevangen op kruispunten in de nanobuisjesnetten. Wanneer bloedmoleculen aan het behandelde weefsel hechten, hechten deze antilichamen zich aan het albumine in plasma. Het albumine-antilichaamcomplex, dat zeer goed oplosbaar is in bloed, laat los van de nanobuisjes, waardoor ze dichter bij elkaar kunnen komen. Omdat stroom zich tussen nanobuisjes voortplant door middel van kwantumtunneling, in wezen van buis naar buis springend, kan een kleine verandering in de afstand ertussen leiden tot enorme weerstandsveranderingen, legt Kotov uit. De afname van de weerstand die ontstaat wanneer de antilichamen loskomen van de draad, is een betrouwbaardere meting van de albumineconcentratie dan een afname van de geleidbaarheid zou zijn. Verminderde geleidbaarheid kan worden veroorzaakt door vuil of andere verontreinigingen, maar een afname van de weerstand is een teken van slechts één ding: albumine, en dus vergoten bloed. Verbonden met een PDA die de resultaten kan interpreteren en zelfs kan verzenden, kan kleding gemaakt van op deze manier behandelde stof een noodsignaal genereren als je bijvoorbeeld bewusteloos bent, zegt Kotov.

Het gebruik van antilichamen maakt dit detectiemechanisme ook heel specifiek: wanneer het weefsel wordt blootgesteld aan runderbloed, dat een iets andere vorm van albumine bevat, verandert de weerstand niet. Behandeld met antilichamen tegen andere eiwitten, kunnen dergelijke stoffen artsen helpen ziekenhuispatiënten te controleren op infecties of astmapatiënten te waarschuwen voor allergenen, zegt Kotov. En de methode is zo eenvoudig, gevoelig en potentieel goedkoop dat op vezels gebaseerde nanobuissensoren zelfs kunnen worden gebruikt in plaats van opkomende op chips gebaseerde detectoren om bloedmonsters te testen op tekenen van ziekten zoals kanker.

De sensoren van Kotov, hoewel zeer betrouwbaar, zijn niet herbruikbaar: zodra de antilichamen loskomen van de nanobuisjes, worden ze weggespoeld, zodat de stof geen eiwitten meer kan detecteren. Kotov zegt dat de stoffen goedkoop genoeg moeten zijn voor eenmalig gebruik. Hij werkt ook aan herbruikbare versies, waarbij hij de chemie verandert zodat de antilichamen hun doelwitten vrijgeven na detectie en in de stof blijven.

Kotov werkt al samen met Nico Technologies om kledingstukken te ontwikkelen die zijn gemaakt van textiel voor geheime militaire en civiele toepassingen. Hij merkt echter op dat toekomstige kledingstukken verschillende soorten gecoat garen kunnen bevatten, elk behandeld voor een andere functie. Je hebt maar één [met nanobuisjes behandeld] draadje in een kledingstuk nodig, zegt hij, en alle fundamentele vorderingen van nanotechnologie zijn er.

zich verstoppen