Forskere bruger nanoteknologi til at udnytte kraften fra ildfluer

Hvad gør ildfluer, nanorods og julelys har til fælles? En skønne dag, forbrugere kan muligvis købe flerfarvede lysstrenge, der ikke behøver elektricitet eller batterier for at lyse. Forskere fra Syracuse University's College of Arts and Sciences fandt en ny måde at udnytte det naturlige lys produceret af ildfluer (kaldet bioluminescens) ved hjælp af nanovidenskab. Deres gennembrud producerer et system, der er 20 til 30 gange mere effektivt end dem, der blev produceret under tidligere eksperimenter.

Det handler om størrelsen og strukturen af ​​skik, kvante nanorods, som er produceret i laboratoriet af Mathew Maye, adjunkt i kemi i SU's Kunst- og Videnskabshøjskole; og Rabeka Alam, en kemi-ph.d. kandidat. Maye er også medlem af Syracuse Biomaterials Institute.

"Ildfluelys er et af naturens bedste eksempler på bioluminescens, " siger Maye. "Lyset er ekstremt lyst og effektivt. Vi har fundet en ny måde at udnytte biologi til ikke-biologiske anvendelser ved at manipulere grænsefladen mellem de biologiske og ikke-biologiske komponenter."

Deres arbejde, "Design af kvantestænger til optimeret energioverførsel med Firefly Luciferase-enzymer, " blev offentliggjort online den 23. maj i Nano bogstaver og udkommer på tryk. Professor Bruce Branchini og Danielle Fontaine samarbejdede om forskningen, begge fra Connecticut College.

Ildfluer producerer lys gennem en kemisk reaktion mellem luciferin og dets modstykke, enzymet luciferase. I Mayes laboratorium, enzymet er knyttet til nanorod's overflade; luciferin, som tilføjes senere, tjener som brændstof. Den energi, der frigives, når brændstoffet og enzymet interagerer, overføres til nanoroderne, får dem til at lyse. Processen kaldes Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET).

"Tricket til at øge effektiviteten af ​​systemet er at mindske afstanden mellem enzymet og overfladen af ​​stangen og at optimere stangens arkitektur, " siger Maye. "Vi designede en måde at kemisk vedhæfte genetisk manipulerede luciferase-enzymer direkte til overfladen af ​​nanorod." Mayes samarbejdspartnere ved Connecticut College leverede det genetisk manipulerede luciferase-enzym.

Nanoroderne er sammensat af en ydre skal af cadmiumsulfid og en indre kerne af cadmiumselenid. Begge er halvledermetaller. Manipulering af størrelsen af ​​kernen, og længden af ​​stangen, ændrer farven på det lys, der produceres. Farverne produceret i laboratoriet er ikke mulige for ildfluer. Mayes nanorods lyser grønt, orange og rød. Ildfluer udsender naturligt en gullig glød. Effektiviteten af ​​systemet måles på en BRET-skala. Forskerne fandt, at deres mest effektive stænger (BRET-skala på 44) fandt sted for en speciel stangarkitektur (kaldet stang-i-stang), der udsendte lys i det nær-infrarøde lysområde. Infrarødt lys har længere bølgelængder end synligt lys og er usynligt for øjet. Infrarød belysning er vigtig for ting som nattesynsbriller, teleskoper, kameraer og medicinsk billedbehandling.

Mayes og Alams ildfluekonjugerede nanorods eksisterer i øjeblikket kun i deres kemilaboratorium. Yderligere forskning er i gang for at udvikle metoder til at opretholde den kemiske reaktion - og energioverførsel - i længere perioder og for at "opskalere" systemet. Maye mener, at systemet har det største løfte for fremtidige teknologier, som vil konvertere kemisk energi direkte til lys; imidlertid, ideen om glødende nanorods som erstatning for LED-lys er ikke science fiction-stof.

"Nanoroderne er lavet af de samme materialer, som bruges i computerchips, solpaneler og LED-lys, " siger Maye. "Det er tænkeligt, at en dag kan ildfluebelagte nanorods indsættes i LED-lys, som du ikke behøver at tilslutte."