Alig húsz éve csodálatos új világ kapuit nyitotta ki a tudomány, a törpék világáét. Nem Hófehérke hét törpéjét keltették életre, az élettelen természetben találtak fantasztikus képességgel bíró törpékre. Méretük jellemzésére a tudomány régi szokásának megfelelően görög nevet adtak, a nano szó jelentése törpe. A mértékegységrendszerben ez az előtag jelzi, ha valaminek a milliárdod részéről van szó, a nanométer tehát a méter egymilliárdod részét jelenti. Mára a nanotechnológia, a nano méretekben végzett műveletek tudománya a laboratóriumokból lassan átkerül a gyárakba, az izgalmas tudományos felfedezésekkel párhuzamosan egyre újabb alkalmazási területeket tárnak fel. A modern törpék világából ezúttal két friss eredményt mutatunk be.
*
„Szemmel láthatóan” megpörgettek egy nanokereket, közölték német és francia kutatók a „Nature Nanotechnology” című folyóirat februári számában megjelent tanulmányukban. Ha nano-, akkor a kerék mérete a méter milliárdod része mérettartományba esik, tehát a megforgatásához különleges eszközre volt szükség, ez a pásztázó alagútmikroszkóp. Természetesen a jelenséget nem szabad szemmel figyelték, műszeres mérések igazolták a nanokerék elfordulását.
A pásztázó alagútmikroszkóp lelke egy rendkívül hegyes csúcs, amelyet a leképzendő felület felett mozgatnak. Egy elektromos szonda a csúcsa és a felület közt folyó gyenge elektromos áramot érzékeli, az áram változásából rajzolódik ki a felület képe. Működése a kvantummechanikai alagútjelenségen alapszik. A pásztázó elektronmikroszkóppal kb. 0,2 nanométeres felbontással feltérképezhető a felületek atomszerkezete. A tű hegye és a felületi atomok közti kölcsönhatást kihasználva a berendezés egyes atomok mozgatására, áthelyezésére, kémiai reakciók megindítására, atomok és molekulák elektronállapotának megváltoztatására is alkalmazható.
Sík felületen már többféle atomot mozgattak, egyik helyről a másikra tolták át a kiválasztott atomot. Az Ohio Egyetemen nemrég durva felületen is mozgattak atomokat, tehát a mozgatás már három dimenzióban zajlott. A Physical Review Lettersben közölt tanulmányban ezüst atomok manipulálását írták le. Ezüsttel volt bevonva a pásztázó elektronmikroszkóp tűjének a hegye, ezzel először ezüst atomokat raktak halomba egy ezüst felületen. A mikroszkóppal háromdimenziós felvételt készítettek a kis ezüstkupacról és kiválasztották azt a pontot, ahonnan leemelhetőnek tűnt egy atom. Ezután a tűvel megközelítették, de nem érintették meg a kiszemelt atomot. Amikor már a nanométer tizedénél is közelebb volt a tű hegye az atomhoz, akkor ez az atom levált a halomról és engedelmesen követte a tű mozgását, ahogy az a halomtól a sima felületre vezette.
A tű hegye és a célba vett atom közti távolságtól függően háromféle kölcsönhatás alakul ki, nagyobb távolságnál vonzó elektrosztatikus erők, közepes távolságnál vonzó kémiai erők, a legkisebb távolságnál viszont már taszító erők lépnek fel.
A berlini egyetemen (Freie Universität) alkottak meg egy négylábú molekulát, a molekula törzséhez csatlakozó lábakat pásztázó alagútmikroszkóppal mozgatták. A lábakat hol párhuzamos, hol keresztezett állásba hozták. A mozgatás nem tett kárt sem a molekulában, sem a tűhegyben, mert csak vonzó erőket vetettek be. A molekula nagyon pontosan reagált a hatásokra, a tervezett lépéseket 99%-nál is sikeresebb arányban hajtották végre.
A „kerekekkel” bíró molekulát Toulouse-ban az anyagtudományi kutatóközpontban szintetizálták. A tengely hossza 0,6 nanométer, mindössze 4 szénatomból áll, ehhez csatlakoznak a szénatomokat is tartalmazó, 0,7 nanométer átmérőjű kerekek. Az intézet vegyészei évek óta foglalkoznak kerékkel bíró molekuláris gépezetek létrehozásával. 1998-ban már volt lapos molekuláris kerekük, amely összevissza mozgott a felületen. 2003-ban talicskát építettek egyetlen molekulából. A berliniekkel együtt végzett kísérletben a mozgatást ismét egy pásztázó alagútmikroszkóp egyetlen atomban (!) végződő tűhegyével érték el. A molekula kerék része csak akkor pördül meg, ha a tengelyre merőlegesen fejtettek ki erőt, az oldalirányú erőhatásokra az egész molekula elugrott a helyéről a réz felületen. A kutatók elismerik, hogy nem ők csináltak először nanoméretű kereket, de ők tudták elsőként egyértelműen igazolni, hogy a tengelyből és kerekekből álló molekula kerekei megforgathatók.
*
Új típusú, nagyon érzékeny, nanoméretű biológiai érzékelőt (bioszenzort) alkottak az amerikai Yale Egyetem kutatói, eredményüket a Nature közölte február elején. Módszerük újdonsága a szenzor előállításában rejlik, az új eszköz természetesen új alkalmazásokat is lehetővé tesz.
A Magyar Nagylexikon definíciója szerint a bioszenzor olyan érzékelő (szenzor vagy detektor), amely biológiai rendszert vagy annak valamely részét (pl. biokémiai reakciókat, enzimeket, ellenanyagokat, receptorokat vagy mikroorganizmusokat stb.) használ fel valamilyen anyag meghatározására vagy a történés kimutatására. A bioszenzor rendszerint elektromos jelet produkál.
Nanodrótokat korábban is sikeresen alkalmaztak már bioszenzorokban. A félvezető nanodrótok nagyon érzékeny, tehát kis mennyiség jelenlétét kimutató, és szelektív, tehát csak a keresett molekulára reagáló eszköznek bizonyultak. Nanodrótos megoldások születtek ionok, kis molekulák, fehérjék, DNS-molekulák és vírusok kimutatására. Az eddigi szenzorok közös jellemzője a bonyolult, többféle technikát nehezen ötvöző gyártástechnológia.
Az új megoldás összeilleszthető a fém-oxid térvezérelt tranzisztorok gyártástechnológiájával, ezért a szenzor könnyen bekapcsolható a jelfeldolgozó információs rendszerbe. Szigetelőanyagra felvitt ultravékony szilícium rétegben alakították ki a nanodrótokat anizotróp nedves maratással. Az anizotróp maratás azt jelenti, hogy a maró folyadék (esetükben tetrametil-ammónium-hidroxid) a szilícium kristály egyik kristálytani síkjában más sebességgel mar, mint a többiben, a marás sebességében 100-szoros az eltérés. Ezzel az eljárással trapéz keresztmetszetű nanodrótokat sikerült kialakítaniuk. Más módszerekkel sűrűbb nanodrót elrendezést lehet létrehozni, de biológiai szenzorok céljára nem optimális a túl sűrű elrendezés.
A félvezető nanodrót hidrogén ionokra érzékeny, a nanodrót felszínének oxidrétege protonokat vesz fel vagy ad le a közeg kémhatásától, pH-jától függően. A nanodrót egy tranzisztor kapuelektródája, vagyis szabályozza a tranzisztoron átfolyó áramot. A nanodrót állapotának megváltozása tehát a tranzisztorban jelentkezik és onnan már könnyen továbbítható az adatfeldolgozó rendszerbe.
A kutatók korábban már bevált módszerrel a sejtek T-limfocitáit aktiválták, ezzel tesztelték az új szenzort. A T-sejtek megjelenése sav felszabadulásával jár együtt, erre reagált a nanodrót és csökkentette a tranzisztor áramát. A reakció nagyon gyors volt, 10 másodperc elteltével már jelzett a szenzor.
A nanoszenzorokat bizonyos makromolekulák közvetlen kimutatására is alkalmazzák. A folyamathoz fluoreszcens festékanyag vagy radioaktív nyomjelző izotóp hozzáadására van szükség a bevált eljárásokban. Az új szenzorral feleslegessé válnak ezek a kimutatást bonyolító és lassító eljárások. Néhány anyaggal már sikeres próbát végeztek, kimérték, milyen anyagkoncentrációk kimutatására képes a szenzor. Az alkalmazási lehetőségek felkutatása folytatódik.
Hozzászólások