Nanorör kommer in på modet

Elegans är lika viktigt i vetenskaplig design som det är i konst och arkitektur, anser kemiingenjören Nicholas Kotov. Sitter på sitt strama kontor vid University of Michigan, i Ann Arbor, visar han upp en provbit av svart bomull; i tyngd och känsla liknar den en mjuk, lätt skjorta. Men Kotov har förvandlat tyget till en biosensor och en elektrisk ledare helt enkelt genom att doppa det i en lösning av kolnanorör, antikroppar och en polymer.

Nicholas Kotov i sitt labb vid University of Michigan, där han tillverkar kolnanorörsbehandlade textilier som den i hans högra hand.

Individuella, välformade kolnanorör är mycket ledande, vilket gör dem lovande för applikationer som batterielektroder och mikroprocessorer. Om molekyler som antikroppar är förankrade på sin yta kan de också fungera som mycket känsliga kemiska detektorer: när en antikropp binder till sitt mål, förändras nanutobens elektriska egenskaper mätbart. Men nanorör tenderar att klumpa ihop sig, vilket hindrar dem från att fungera individuellt. Det försämrar deras elektroniska egenskaper allvarligt, säger Kotov.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Det finns sätt att kringgå detta problem: nanorör kan noggrant läggas ner, ett efter ett, med metoder som involverar dagars lösningsbearbetning följt av fotolitografi, eller så kan rören sprayas på en plan yta i omväxlande lager med en ledande polymer, vilket förhindrar klumpar sig. Men Kotov fann att denna typ av lager-för-lager-montering kan förenklas ytterligare för en komplex tredimensionell yta som en bomullstråd: härvan av fibrer ger en strukturell mall som gör att han helt enkelt kan doppa tråden i en lösning som innehåller både polymeren och rören. Limmade på tråden av polymeren bildar nanorören ett nät med goda elektriska egenskaper, rören överlappar men väl åtskilda.

Metoden resulterar i ett elegant, kraftfullt och mycket mer bärbart alternativ till komplexa intelligenta textilier som innehåller tunga, skrymmande optiska fibrer eller korrosionsbenägna metalltrådar. Medan Kotov undersöker ett antal möjliga tillämpningar för dessa textilier, skulle den viktigaste, säger han, vara som biosensorer för att hålla människor säkra. De kan användas för att upptäcka blodförlust hos soldater på fjärrpatruller eller för att upptäcka luftburna allergener eller patogener som influensa. Och trådarna är billiga och känsliga nog för eventuell användning i fabriker eller butiker, eller till och med i hemmet - till exempel för att testa en osäker sats jordnötssmör för gifter.

Ett snabbt dopp
I Kotovs labb blandar doktoranden Jian Zhu kommersiellt tillgängliga enkelväggiga nanorör och en polymer som kallas Nafion till etanol, vilket förhindrar att komponenterna klibbar ihop. Nafion limmar nanorören på bomullen, men det är inte allt det gör. Nafion, en lång, ledande molekyl som huvudsakligen består av kol, fungerar som en liten fjäder som tillåter varje nanorör ett visst mått av oberoende rörelse. Denna mekaniska egenskap, som är avgörande för biosensing, gör det också möjligt för bomullen att behålla sin mjukhet och ge: du skulle inte vilja bära en skjorta belagd med styv epoxi.

Zhu klipper av en längd vanlig bomullstråd från en spole och använder en pincett för att sänka ner den i den bläcksvarta lösningen. Efter att den har suttit i två minuter, fiskar han upp tråden och använder en pärmklämma för att hänga upp den för att torka inuti en labbkåpa, en process som kan förkortas till bara några minuter med en hårtork. Trådens elektriska resistans är optimerad, har Kotov upptäckt, när den har doppats cirka 10 gånger.

På gruppens studentkontor visar Zhu de elektroniska egenskaperna hos en färdig nanorörstråd, som inte går att skilja från vanlig svart bomull. Han fäster den på de elektriska kontakterna på en vit lysdiod med hjälp av vanligt lod och drar sedan ändarna av tråden genom de positiva och negativa klämmorna på en strömkälla. Han vrider upp strömkällan till tre volt, och ljuset lyser starkt.

Enkelt tillägg
Det lilla ljuset är vid första anblicken inte särskilt imponerande. Men tre volt är tillräckligt med ström för att trådarna ska kunna utföra funktioner som biosensing. Kotov kan förvandla nanorörstextilierna till sensorer helt enkelt genom att inkludera antikroppar i den ursprungliga etanollösningen. Eftersom antikroppar är känsliga för värme låter forskarna materialet lufttorka istället för att använda en hårtork; annars är processen densamma. Tillsatsen av antikropparna gör att fiberns motstånd varierar med koncentrationen av antikroppens målmolekyl. Zhu tar en tråd som behandlats med en lösning som innehåller antikroppen mot den mänskliga versionen av blodproteinet albumin och kopplar den till en multimeter, som förser tråden med konstant spänning och låter honom se hur dess motstånd förändras. När han dunkar ner fibern i en utspädd lösning av blod, sjunker trådens motstånd från 60 kiloohm till 20.

När bomullen doppas i en lösning av nanorör, Nafion och antikroppar, fångas antikropparna fysiskt vid korsningar i nanorörsnäten. När blodmolekyler fäster vid det behandlade tyget, fäster dessa antikroppar till albuminet i plasma. Albumin-antikroppskomplexet, som är mycket lösligt i blod, lossnar från nanorören, vilket gör att de kan röra sig närmare varandra. Eftersom ström färdas mellan nanorör med hjälp av kvanttunnel, i huvudsak hoppar från rör till rör, kan en liten förändring i avståndet mellan dem leda till enorma förändringar i motståndet, förklarar Kotov. Den minskning av resistens som uppstår när antikropparna lossnar från tråden är en mer tillförlitlig mätning av albuminkoncentrationen än en minskning av konduktiviteten skulle vara. Minskad ledningsförmåga kan orsakas av smuts eller andra föroreningar, men en minskning av motståndet är ett tecken på bara en sak: albumin och därmed utspillt blod. Ansluten till en handdator som kan tolka och till och med överföra resultaten, kan kläder gjorda av tyg som behandlats på detta sätt generera en nödsignal om du till exempel är medvetslös, säger Kotov.

Att använda antikroppar gör också denna detektionsmekanism mycket specifik: när tyget exponeras för nötkreatursblod, som innehåller en något annorlunda form av albumin, förändras inte dess motståndskraft. Behandlade med antikroppar mot andra proteiner kan sådana tyger hjälpa läkare att övervaka sjukhuspatienter för infektioner eller varna astmatiker för allergener, säger Kotov. Och metoden är så enkel, känslig och potentiellt billig att fiberbaserade nanorörssensorer till och med kan användas i stället för nya chipbaserade detektorer för att testa blodprover för tecken på sjukdomar som cancer.

Kotovs sensorer, även om de är mycket tillförlitliga, är inte återanvändbara: när antikropparna lossnar från nanorören tvättas de bort, så tyget kan inte upptäcka proteiner en andra gång. Kotov säger att tygerna borde vara tillräckligt billiga för engångsbruk. Han arbetar också med återanvändbara versioner och ändrar kemin så att antikropparna släpper sina mål efter upptäckt och stannar kvar i tyget.

Kotov arbetar redan med Nico Technologies för att utveckla plagg gjorda av textilier för hemliga militära och civila tillämpningar. Men han noterar att framtida plagg kan innehålla olika typer av belagd tråd, var och en behandlad för en annan funktion. Du behöver bara en enda [nanorörsbehandlad] tråd i ett plagg, säger han, och alla grundläggande framsteg inom nanoteknologin finns där.

Dölj