Twee grafeenlagen gaan voor de kus
Leidse fysici en chemici zijn erin geslaagd om twee grafeenlagen zo dicht bij elkaar te brengen dat een elektrische stroom spontaan overspringt. In de toekomst stelt dit wetenschappers mogelijk in staat om de randen van grafeen te bestuderen en ze te gebruiken voor het uitlezen van DNA met een hogere nauwkeurigheid dan ooit. Publicatie in Nano Letters.
Hoe bestudeer je een object dat zo klein is dat het niet eens licht reflecteert? In zulke gevallen sturen natuurkundigen er meestal een stroompje door om zijn geleidbaarheid te meten, wat veel eigenschappen prijsgeeft. Maar als je écht iets kleins hebt, zoals een molecuul, is dat makkelijker gezegd dan gedaan. Je hebt dan elektrodes nodig die kleiner zijn dan een molecuul. Leidse onderzoeksgroepen van natuurkundige Jan van Ruitenbeek en scheikundige Grégory F. Schneider hebben een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Ze kantelden twee lagen grafeen—elk één atoom dik— dusdanig dat ze elkaar op slechts één punt ontmoeten. Daar springen elektronen over van de ene naar de andere laag.
Stijf
Eerdere pogingen met grafeen elektrodes mislukten omdat de lagen van nature flexibel zijn. De Leidse wetenschappers legden de lagen op een siliciumsubstraat, waardoor ze helemaal tot aan de rand stijf werden. Ze brachten beide lagen dichtbij elkaar genoeg zodat tunneling optrad—een quantummechanisch verschijnsel waarbij elektronen spontaan overspringen naar een naburig materiaal, zelfs bij afwezigheid van direct contact. Elk klein object ertussenin zal de tunneling verhogen. Het aantal elektronen dat nu tunnelt vertelt de onderzoekers uiteindelijk iets over de eigenschappen van het object.
DNA uitlezen
Een veelbelovende toekomstige toepassing is wellicht het uitlezen van DNA. Wanneer een enkele DNA-streng de smalle ruimte doorkruist tussen de grafeenlagen zullen zijn baseletters A, C, G en T afwisselend een verschillend aantal elektronen laten tunnelen. Het idee is dat de wetenschappers hieruit dan relatief snel de code van de DNA-streng aflezen. Van Ruitenbeek: ‘Bedrijven zijn nu bezig met een andere methode waarbij ze een DNA-streng door een gat halen waardoor ook water stroomt met elektrisch geladen deeltjes. Uit de sterkte van die stroom weten ze steeds welke baseletter gedeeltelijk het gat blokkeert. Onze methode is potentieel veel nauwkeuriger. Of beter nog: we kunnen beide methodes in de toekomst combineren.’
Schneider: ‘Een andere belangrijke vervolgstap is het scannen van de randen van grafeen, wat net zo aanlokkelijk is als het uitlezen van DNA. De chemie aan de uiteinden van grafeen is extreem moeilijk om af te tasten, en nu hebben we daar een heel precies apparaat voor.’
Publicatie
Amedeo Bellunato, Sasha D. Vrbica, Carlos Sabater, Erik W. de Vos, Remko Fermin, Kirsten N. Kanneworff, Federica Galli, Jan M. van Ruitenbeek, and Grégory F. Schneider, ‘Dynamic Tunneling Junctions at the Atomic Intersection of Two Twisted Graphene Edges’, Nano Letters