گرافن را «ماده جادویی» قرن 21 می‌نامند. این ماده که گفته می‌شود محکم‌ترین ماده‌ای است که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته، جایگزینی برای سیلیکون است و خواص عجیب آن مانند بیشترین میزان رسانایی الکتریکی در بین مواد شناخته شده، دنیای علم و رسانه‌ها) را تکان داده است .گرافن ماده ای منحصربه فرد با پایه‌ی کربنی و دانسیته‌ی اتمی بالاست. ترکیب غیر عادی خواص آن نظیر سختی و استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، خصوصیات عالی نوری وسطحی است وازطریق عامل دار کردن شیمیایی ،موردتوجه خاص محققان قرارگرفته است و این حقیقت که شیمیدانان به سختی میتوانند جایگزینی برای گرافن پیدا کنند، سبب شده که این ماده دارای کاربردهای فراوانی در نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژی مثل باطری‌‌‌ ‌ها و ابرخازن‌ها باشد.

معرفی گرافن( Graphene)

اما گرافن‌چیست؟ جدیدترین تعریفی که برای گرافن ارائه شده این است که: گرافن ماده‌ای تخت و تک‌لایه متشکل از اتم‌های کربن است که این اتم‌ها در یک شبکه دوبعدی و کند‌و مانند به هم متصل شده‌اند و این ساختاری است که همه مواد گرافنی در ابعاد دیگر نیز از آن تبعیت می‌کنند.این ماده دارای ضخامت یک اتم با ویژگی‌های منحصربه‌فرد است ،که به دلیل ضخامت کم این ماده را به عنوان باریک ترین ماده جهان نیز می شناسند. درواقع گرافن اصطلاحی هست که به نوارهای بسیار نازکی از تک لایه های گرافیت گفته می شود،اگر گرافیت را یک دفترچه از صفحات موازی در نظر بگیریم ،به هر ورق آن گرافن گفته می شود.

همان طور که می دانیم گرافیت یکی از آلوتروپ های (اشکال)کربن است. یکی از راه های تولید گرافن این است که اینقدر لایه های گرافیت را از هم دور کنیم تا به گرافن تبدیل شود. (ورقه ‌ورقه کردن گرافیت )

همان طور که گفتیم صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم‏های کربن تشکیل می‏شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ها با یکدیگر مساوی و برابر با 120°است. در این حالت، اتم‏های کربن در وضعیتی قرار می‏گیرند که شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم را ایجاد می‏کنند. البته این ایده‏آل‏ترین حالت یک صفحه‏ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج‌ضلعی‏ها و هفت‌ضلعی‏هایی نیز ایجاد می‏شود.

گرافن سخت‌ترین و نازک‌ترین ماده‌ای است که بشر تاکنون به‌آن دست یافته‌‌است. این ماده با وجود این‌که ساختار متراکمی دارد، به علت ضخامت بسیار اندکش که برابر با ضخامت یک اتم کربن است، نور را از خود عبور می‌دهد و از شفافیت 97,3 درصد برخوردار است

توسعه و تجاری‌سازی گرافن برای توالی‌سنجی DNA

در مقاله‌ای که گروه تحقیقاتی هاروارد در سال 2010 در مجله Nature منتشر کردند، چگونگی استفاده از گرافن برای جداسازی دو محفظه حاوی محلول‌های یونی و همچنین ایجاد یک حفره در این ماده شرح داده شده است. این گروه نشان داده‌اند که می‌توان از گرافن به‌عنوان الکترود ترانس بهره برده و جریان عبوری از نانوحفره میان دو محفظه را اندازه گرفت. محققان از این الکترود برای اندازه‌گیری تغییرات جریان در حین عبور یک رشته DNA از نانوحفره استفاده کرده‌اند. بدین‌ترتیب یک سیگنال الکتریکی خاص ایجاد می‌شود که نشان‌دهنده اندازه و آرایش مولکول DNA است.

استفاده از گرافن به عنوان بیوسنسور

محققان زیست‌‌پزشکی معتقدند که گرافن کاربردهای مختلفی در زیست پزشکی خواهد داشت. این محققان برای ردیابی برهم‌‌کنش بین گرافن با DNA ، یک مولکول فلورسنت را به DNA چسباندند و آزمایشات نشان داد که با قرار دادن تک‌‌رشته‌‌ای DNA در سطح گرافن، فلورسانس تا حد زیادی کم‌‌نور می‌شود، ولی با قرارگیری DNA دورشته‌‌ای بر سطح گرافن، میزان کاهش نور فلورسانس بسیار جزئی خواهد بود، حاكی از این است كه DNA  تک‌‌رشته‌‌ای، در مقایسه با DNA دورشته‌‌ای، برهم‌‌کنش قوی‌تری با گرافن دارد.

در ادامه، محققان امکان استفاده از تفاوت نور فلورسانس به هنگام اتصال با گرافن را بررسی کردند. آنها هنگامیکه DNA مکمل را به گرافن DNA- تک‌‌رشته‌‌ای، افزودند، دریافتند که فلورسانس از نو شروع می‌‌شود. توانایی DNA در خاموش و روشن کردن فلورسانس هنگامی که در مجاورت گرافن قرار دارد، می‌‌تواند برای تولید یک حسگر زیستی مورد استفاده قرار گیرد. محققان معتقدند کاربردهای ممکن برای حسگر زیستی گرافن-DNA، شامل تشخیص بیماری‌‌هایی مانند سرطان شناسایی سم در غذاهای فاسد و تشخیص پاتوژن‌‌ها از سلاح‌‌های زیستی است.

سایر آزمایشات نیز نشان دادند که تک‌‌رشته‌‌ چسبیده به گرافن، کمتر مستعد تجزیه شدن توسط آنزیم می‌‌شود و همین، موجب ثبات بیشتر ساختارهای گرافن-DNA  می‌شود. از این ساختارهای باثبات می‌‌توان برای انتقال دارو در ژن‌‌درمانی استفاده نمود.