Bakteriel metode til lave omkostninger, miljøvenlig syntese af vandige opløselige kvanteprikker nanokrystaller

Et team af ingeniører fra Lehigh University har demonstreret en bakteriel metode til billige, miljøvenlig syntese af vandige opløselige kvantepunkts (QD) nanokrystaller ved stuetemperatur.

Hovedforskere Steven McIntosh, Bryan Berger og Christopher Kiely, sammen med et team af kemiingeniører, bioingeniør, og materialevidenskabsstuderende præsenterer denne nye tilgang til reproducerbar biosyntese af ekstracellulære, vandopløselige QD'er i 1. juli-udgaven af ​​tidsskriftet Grøn Kemi . Dette er det første eksempel på ingeniører, der udnytter naturens unikke evne til at opnå omkostningseffektiv og skalerbar fremstilling af QD'er ved hjælp af en bakteriel proces.

Ved hjælp af en konstrueret stamme af Stenotrophomonas maltophilia at kontrollere partikelstørrelsen, holdet biosyntetiserede QD'er ved hjælp af bakterier og cadmiumsulfid for at give en vej til lave omkostninger, skalerbar og grøn syntese af CdS nanokrystaller med ydre krystallitstørrelseskontrol i kvanteindeslutningsområdet. Opløsningen giver ekstracellulært, vandopløselige kvanteprikker fra billige prækursorer ved omgivende temperaturer og tryk. Resultatet er CdS halvleder nanokrystaller med tilhørende størrelsesafhængige båndgab og fotoluminescerende egenskaber.

Denne biosyntetiske tilgang giver en levedygtig vej til at realisere løftet om grøn biofremstilling af disse materialer. Lehigh-teamet præsenterede for nylig denne proces for et nationalt udstillingsvindue af investorer og industrielle partnere på TechConnect 2015 World Innovation Conference og National Innovation Showcase i Washington, D.C. 14.-17. juni.

"Biosyntetiske QD'er vil muliggøre udviklingen af ​​en miljøvenlig, bioinspireret proces i modsætning til nuværende tilgange, der er afhængige af høje temperaturer, pres, giftige opløsningsmidler og dyre forstadier, " siger Berger. "Vi har udviklet en unik, "grøn" tilgang, der væsentligt reducerer både omkostninger og miljøpåvirkning."

Kvanteprikker, som kan bruges i forskellige applikationer såsom medicinsk billedbehandling, belysning, display teknologier, solceller, fotokatalysatorer, vedvarende energi og optoelektronik, er typisk dyre og komplicerede at fremstille. I særdeleshed, nuværende kemiske syntesemetoder bruger høje temperaturer og giftige opløsningsmidler, som gør miljøsanering dyrt og udfordrende.

Denne nyligt beskrevne proces giver mulighed for fremstilling af kvanteprikker ved hjælp af en miljøvenlig proces og til en brøkdel af prisen. Mens QD'er i konventionelle produktionsteknikker i øjeblikket koster $1, 000-$10, 000 pr gram, biofremstillingsteknikken reducerer, der koster til omkring $1-$10 pr. gram. Den betydelige reduktion i omkostningerne muliggør potentielt storstilet produktion af QD'er, der er levedygtige til brug i kommercielle applikationer.

"Vi estimerer udbytter i størrelsesordenen gram pr. liter fra batchkulturer under optimerede forhold, og er i stand til at gengive en bred række af CdS QD'er, " sagde Steven McIntosh.

Forskningen er finansieret af National Science Foundation's Division of Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI Grant No. 1332349) og bygger på succesen med den indledende finansiering, leveret af Lehigh's Faculty Innovation Grant (FIG) og Collaborative Research Opportunity Grant (CORE) programmer.

Lehigh-forskningsgruppen undersøger også, gennem NSF's EFRI-afdeling, udvidelsen af ​​dette arbejde til at omfatte en lang række andre funktionelle materialer. Funktionelle materialer er dem med kontrolleret sammensætning, størrelse, og struktur for at lette ønskede interaktioner med lys, elektriske eller magnetiske felter, eller kemisk miljø for at give unik funktionalitet i en bred vifte af applikationer fra energi til medicin.

McIntosh sagde, "Mens biosyntese af strukturelle materialer er relativt veletableret, udnyttelse af naturen til at skabe funktionelle uorganiske materialer vil give en vej til en fremtidig miljøvenlig biofremstillingsbaseret økonomi. Vi mener, at dette arbejde er det første skridt på denne vej."