Yeni grafen bazlı sistem, kalp ve sinir hücrelerindeki elektrik sinyalizasyonunu görmemize yardımcı olabilir

Ekip, hafif elektrik alanlarını görselleştirmek için bir sistem üzerinde çalışıyor.

Bu fotoğraf, kızılötesi bir lazer ve bir grafen tabakası kullanarak zayıf elektrik sinyallerinin özelliklerini tam olarak kaydetmek üzere tasarlanmış olan CAGE (Kritik bağlanmış dalga kılavuzu-Yükseltilmiş Grafen Elektrik alanı görüntüleme cihazı) (Critically coupled waveguide-Amplified Graphene Electric) olarak bilinen bir sistemin kurulumunu gösterir. CAGE platformu canlı hücrelerin elektrik sinyallerinin görüntülenmesi için kullanılabilir.

Bilim adamları, sıvı içinde minik elektrik alanlarını görsel olarak haritalamada inanılmaz derecede hassas bir kamera sistemi gibi işlev yapan, bir atom kalınlığında karbon tabakası olan grafenin egzotik özelliklerini bir araya getirdiler. Araştırmacılar, yeni yöntemin, kalplerimizdeki ve beyinlerimizdeki elektrik sinyalizasyon ağlarının daha kapsamlı ve hassas görüntüsüne izin vereceğini umuyorlar.

Çok hafif elektrik alanlarının güç ve hareketini görsel olarak betimleme yeteneği, aynı zamanda, mikroçip benzeri bir platformda, hastalığı veya yardımı teşhis etmek için çok az miktarda sıvı kullanan sözde laboratuvar üstü cihazların tasarlanmasına ve ilaç geliştirilmesine yardımcı olabilir. Sistem, spesifik kimyasalların algılanması ve tutulması için ve ışık temelli elektroniklerin (optoelektronik olarak bilinen bir alan) çalışmaları için kullanılabilir.

Elektrik alanlarını görselleştirmenin yeni bir yolu

Nature Communications’da 16 Aralık’ta yayınlanan grafene dayalı görüntüleme sisteminin ilk gösterimini ayrıntılarıyla anlatan çalışmanın yazarlarından olan Jason Horng çalışmaları hakkında “Bu, grafenin bir sıvıdaki elektrik alanlarını algılamak için bir malzeme olarak kullanılabileceği tamamen yeni ve yenilikçi bir fikirdi.” diyor. Horng, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarında (Berkeley Lab) ve UC Berkeley’de ortak bir enstitü olan Kavli Energy NanoSciences Enstitüsü’ne bağlı UC Berkeley’de doktora sonrası araştırmacı olarak görev almaktadır.

Fikir, Berkeley Laboratuvarının Malzeme Bilimleri Bölümünde görevli bilim adamı olan ve nano ölçekte ışık-madde etkileşimlerinin kontrolü üzerinde yoğunlaşan Fen Wang’ın, Stanford Üniversitesi’nde sinir hücresi sinyali incelemesinde bir araştırma yürüten Bianxiao Cui arasındaki konuşmasından ortaya çıktı.

Aynı yayında, yazarlardan biri olan ve Kavli Energy NanoSciences Enstitüsü’ne bağlı UC Berkeley’de fizik doktorası öğrencisi olan Halleh B. Balch çalışma hakkında “Temel kavram, grafenin, tek bir sinir hücresi tarafından üretilen elektriksel uyarılar gibi lokal elektrik alanının büyüklüğü, konumu ve zamanlama modelinde çok küçük değişiklikleri çözmek için çok genel ve ölçeklenebilir bir yöntem olarak nasıl kullanılabileceğidir. Geniş bir hücre ağı eğitiminde en çok karşılaşılan sorunlardan biri, bilginin hücre ağında nasıl yayıldığını anlamaktır.” demektedir.

Küçük hücre dizilerinden gelen elektrik sinyallerini ölçmek için başka teknikler geliştirilmiş olsa da, bu yöntemleri daha büyük dizilere kadar ölçeklendirmek zor olabilir ve bazı durumlarda bireysel elektriksel uyarıları belirli bir hücreye kadar izleyemez.

Ayrıca Cui “Bu yeni yöntem hücreleri herhangi bir şekilde rahatsız etmez, bu da hücre zarının genetik veya kimyasal modifikasyonlarını kullanan mevcut yöntemlerden esasen farklıdır.” demektedir.

Araştırmacılar, yeni platformun, 100 veya daha fazla canlı hücre içeren şebekeler arasında dolaşan elektrik uyarılarının tek hücreli ölçümlerine daha kolay izin vermesi gerektiğini söylüyorlar.

Grafenin ışık emici özellikleri

Karbon atomlarının petek şeklindeki birleşiminden oluşan grafen, inanılmaz gücü, enerjiyi verimli bir şekilde idare etme kabiliyeti, yüksek kimyasal kararlılık göstermesi, elektronların yüzeyinden geçebilme hızı ve diğer egzotik özellikleri olan bir yapıdır. Bu araştırmanın bir kısmı, bilgisayar devrelerinde ve ekranlarda, ilaç dağıtım sistemlerinde, güneş pillerinde ve pillerde bir bileşeni olarak grafenin kullanılması üzerine yoğunlaşmıştır.

En son çalışmada, araştırmacılar ilk önce bir elektrik alanının grafenin kızılötesi ışığı emmesi üzerindeki etkilerini anlamak için Berkeley Lab’ın İleri Işık Kaynağı’nda üretilen kızılötesi ışığı kullandı.

Deneyde bir prizma yoluyla bir ışınım lazerini bir dalga kılavuzu adı verilen ince tabakaya yönlendirmeyi amaçladılar. Dalga kılavuzu, grafenin ışık absorbe edici özelliklerini tam olarak eşleştirmek için tasarlandı. Böylece tüm ışık, bir elektrik alanı olmadığında grafen tabakası boyunca absorbe edildi.

Ardından araştırmacılar, grafen tabakasının üstündeki sıvı bir solüsyonda, grafen tabakasının ışık emilimini hafifçe bozan ve ışığın elektrik alanının kesin bir imzasını taşıyacak şekilde kaçmasına izin veren küçük bir elektrik çarpması gerçekleştirdiler. Araştırmacılar, bu kaçan ışığın bir dizi görüntüsünü saniyenin binde birinde yakaladılar ve bu görüntüler, grafenin yüzeyi boyunca elektrik alanının gücünü ve yerini doğrudan görselleştirdi.

Milyonlarca voltluk hassasiyet

Yeni görüntüleme platformu, birkaç mikrovolt (bir voltun milyonda biri) gerilimlerine karşı hassas olduğunu kanıtladı. Bu, kalp hücrelerinin ve sinir hücrelerinin ağlarındaki hücreler arasındaki elektriğe aşırı duyarlılık kazandıracak ve bu hücreler, onlarca mikro voltla birkaç milivolt arasında değişebilir (binde bir volt).

Araştırmacılar, grafen levhanın yüzeyi boyunca onlarca mikrona (bir metrenin milyonda biri) kadar bir elektrik alanının yerini tespit edebildiklerini ve solma gücünü, beş milisaniyelik ya da saniyenin binde bir oranından az sayıda zaman adımı dizisiyle yakalayabileceklerini buldular.

Araştırmacılar yaklaşık 100 milyonluk voltaj hassasiyetiyle, 240 milisaniyelik bir periyotta 10 bin saniyede bir voltaj darbesiyle üretilen yerel bir elektrik alanının konumunu, dağılmasını ve solmasını belirlediler.

Sonraki aşama: canlı kalp hücreleri

Balch, platformları canlı hücrelerle test etme planlarının olduğunu ve kalp sağlığı ve uyuşturucu taramasında bu araştırma için pek çok potansiyel başvuru olduğunu söyledi.

Ayrıca, görüntüleme düzeneğinde grafen dışında başka atomik olarak ince malzemelerin de kullanılma potansiyeline sahip olduklarını belirtti.

Balch’a göre “Bu sistemin ardındaki şıklık, genelliğinden kaynaklanmaktadır. Yükü taşıyan her şeye duyarlı olabilir.”

Kaynak : sciencedaily.com

Haberi Çeviren : Canan Kula

Üniversite : Hacetttepe Üniversitesi (Cranfield University Forensic Investigation Yüksek Lisans Öğrencisi)

Bölüm : Kimya Bölümü

Mail : canankula@gmail.com

Not : Haberlerin dergi yönetimi ile çevirene haber verilmeksizin yayınlanması, kopyalanması, kendi web sitenize eklenmesi kesinlikle yasaktır.  Bir yerde yayınlamayı düşünenler iletisim@inovatifkimyadergisi.com adresine ve de haberi çeviren arkadaşımıza mail atarak durumu belirtmeleri gerekmektedir.