Første enkelt-enzym metode til at producere kvanteprikker afsløret

Quantum dots (QD'er) er halvledende nanokrystaller værdsat for deres optiske og elektroniske egenskaber. Den geniale, rene farver produceret af QD'er, når de stimuleres med ultraviolet lys, er ideelle til brug i fladskærme, medicinsk billedbehandlingsudstyr, solpaneler og lysdioder. En hindring for masseproduktion og udbredt brug af disse vidunderpartikler er vanskelighederne og omkostningerne forbundet med nuværende kemiske fremstillingsmetoder, der ofte kræver varme, højt tryk og giftige opløsningsmidler.

Men nu har tre Lehigh University ingeniører med succes demonstreret den første præcist kontrollerede, biologisk måde at fremstille kvanteprikker ved hjælp af et enkelt enzym, baner vejen for en væsentlig hurtigere, billigere og grønnere produktionsmetode.

Lehigh-holdet - Bryan Berger, Klasse af 1961 lektor, Kemisk og biomolekylær teknik; Chris Kiely, Harold B. Chambers seniorprofessor, Materials Science and Engineering og Steven McIntosh, Klasse af 1961 lektor, Kemisk og biomolekylær teknik, sammen med ph.d. kandidat Li Lu og bachelor Robert Dunleavy - har detaljeret deres resultater i en artikel kaldet "Single Enzyme Biomineralization of Cadmium Sulfide Nanocrystals with Controlled Optical Properties" offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Det smukke ved en biologisk tilgang er, at den skærer ned på produktionsbehovene, miljøbelastning og produktionstid ret meget, siger Berger.

I juli sidste år, holdets arbejde blev vist på forsiden af Grøn Kemi beskriver deres brug af "dirigeret evolution" til at ændre en bakteriestamme kaldet Stenotophomonas maltophilia til selektivt at producere cadmiumsulfid QD'er. Fordi de opdagede, at et enkelt enzym produceret af bakterierne er ansvarlig for QD-generering, den cellebaserede produktionsrute blev skrottet helt. Cadmiumsulfid QD'erne, som de nu har vist i PNAS-artiklen, kan genereres med det samme enzym syntetiseret fra andre let manipulerede bakterier såsom E. coli.

"Vi har udviklet enzymet ud over, hvad naturen havde til hensigt, siger Berger, konstruere det til ikke kun at lave krystalstrukturen af ​​QD'erne, men kontroller deres størrelse. Resultatet er evnen til ensartet at producere kvanteprikker, der udsender enhver bestemt farve, de vælger - selve den egenskab, der gør dette materiale attraktivt til mange anvendelser.

Industrielle processer tager mange timer at dyrke nanokrystallerne, som derefter skal gennemgå yderligere behandlings- og oprensningstrin. Biosyntese, på den anden side, tager minutter til maksimalt et par timer at gøre hele spektret af kvanteprikker (ca. 2 til 3 nanometer) på en kontinuerlig, miljøvenlig proces ved omgivende forhold i vand, der ikke behøver nogen efterbehandlingstrin for at høste den endelige, vandopløseligt produkt.

At perfektionere metoden til strukturelt at analysere individuelle nanopartikler krævede et meget sofistikeret scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM). Lehighs elektronmikroskopi- og nanofabrikationsfacilitet var i stand til at levere et 4,5 millioner dollars state-of-the-art instrument, der gjorde det muligt for forskerne at undersøge strukturen og sammensætningen af ​​hver QD, som kun er sammensat af ti til hundredvis af atomer.

"Selv med dette nye mikroskop, vi skubber grænserne for, hvad der kan gøres, " siger Kiely.

Instrumentet scanner en ultrafin elektronstråle hen over et felt af QD'er. Atomerne spreder elektronerne i strålen, producerer en slags skyggebillede på en fluorescerende skærm, beslægtet med den måde, en genstand, der blokerer for lys, frembringer en skygge på væggen. Et digitalkamera optager det stærkt forstørrede atomopløsningsbillede af nanokrystallen til analyse.

Holdet er klar til at opskalere sin laboratoriesucces til en produktionsvirksomhed, der laver billige QD'er på en miljøvenlig måde. Konventionel kemisk fremstilling koster $1, 000 til $10, 000 pr gram. En biofremstillingsteknik kan potentielt sænke prisen med mindst en faktor 10, og holdet estimerer udbytter i størrelsesordenen gram pr. liter fra hver batchkultur, siger McIntosh.

Ser man langt ude, de tre kolleger håber, at deres metode vil føre til et væld af fremtidige QD-applikationer, såsom grønnere fremstilling af methanol, et miljøvenligt brændstof, der kunne bruges til biler, varmeapparater og elproduktion. Vandrensning og metalgenbrug er to andre mulige anvendelser for denne teknologi.

"Vi ønsker at skabe mange forskellige typer funktionelle materialer og lave funktionelle materialer i stor skala såvel som individuelle kvanteprikker, " siger McIntosh.

Han forestiller sig at udvikle en proces, hvorved individuelle kvanteprikker arrangerer sig selv i makrostrukturer, den måde naturen dyrker en bløddyrskal ud af individuelle uorganiske nanopartikler eller mennesker dyrker kunstigt væv i et laboratorium.

"Hvis vi er i stand til at gøre mere ud af materialet og kontrollere, hvordan det er struktureret og samtidig bevare dets kernefunktionalitet, vi kunne potentielt få en solcelle til at samle sig selv med kvanteprikker."