Forskere laver nye grønne elektroniske polymerbaserede film med protein nanotråde

Et tværfagligt team af videnskabsmænd ved University of Massachusetts Amherst har produceret en ny klasse af elektroniske materialer, der kan føre til en "grøn, "mere bæredygtig fremtid inden for biomedicinsk og miljømæssig sansning, siger forskningsledere, mikrobiolog Derek Lovley og polymerforsker Todd Emrick.

De siger, at deres nye arbejde viser, at det er muligt at kombinere protein nanotråde med en polymer for at producere et fleksibelt elektronisk kompositmateriale, der bevarer den elektriske ledningsevne og unikke sanseevne fra protein nanotråde. Resultater vises i journalen Lille .

Protein nanotråde har mange fordele i forhold til silicium nanotråde og kulstof nanorør med hensyn til deres biokompatibilitet, stabilitet, og potentiale til at blive modificeret til at fornemme en bred vifte af biomolekyler og kemikalier af medicinsk eller miljømæssig interesse, siger Lovley. Imidlertid, disse sensorapplikationer kræver, at proteinnanotrådene inkorporeres i en fleksibel matrix, der er egnet til fremstilling af bærbare sensorenheder eller andre typer elektroniske enheder.

Som Lovley forklarer, "Vi har studeret den biologiske funktion af protein nanotråde i over et årti, men det er først nu, vi kan se en vej frem for deres brug i praktisk fremstilling af elektroniske enheder." Postdoktoral forskning Yun-Lu Sun, nu ved University of Texas i Austin, opdagede de rette betingelser for at blande protein nanotråde med en ikke-ledende polymer for at give det elektrisk ledende kompositmateriale. Han demonstrerede, at selvom ledningerne er lavet af protein, de er meget holdbare og nemme at bearbejde til nye materialer.

"En yderligere fordel er, at protein nanotråde er en virkelig 'grønne' ' bæredygtigt materiale, " Lovley tilføjer. "Vi kan masseproducere protein nanotråde med mikrober dyrket med vedvarende råvarer. Fremstillingen af ​​mere traditionelle nanotrådsmaterialer kræver høj energitilførsel og nogle virkelig grimme kemikalier." han siger, "Protein nanotråde er tyndere end siliciumtråde, og i modsætning til silicium er stabile i vand, hvilket er meget vigtigt for biomedicinske anvendelser, såsom at påvise metabolitter i sved."

Emrick tilføjer, "Disse elektroniske protein nanotråde har overraskende ligheder med polymerfibre, og vi forsøger at finde ud af, hvordan man kombinerer de to mest effektivt."

I deres proof-of-concept undersøgelse, proteinnanotrådene dannede et elektrisk ledende netværk, når de blev indført i polymeren polyvinylalkohol. Materialet kan behandles under barske forhold, såsom varme, eller ekstrem pH såsom høj surhedsgrad, der kan forventes at ødelægge en proteinbaseret komposit, men det fortsatte med at fungere godt.

Konduktiviteten af ​​proteinnanotrådene indlejret i polymeren ændrede sig dramatisk som reaktion på pH. "Dette er en vigtig biomedicinsk parameterdiagnostik af nogle alvorlige medicinske tilstande, "Lovley forklarer. "Vi kan også genetisk modificere strukturen af ​​protein nanotrådene på måder, som vi forventer vil muliggøre påvisning af en lang række andre molekyler af biomedicinsk betydning."

De elektrisk ledende protein nanotråde er et naturligt produkt af mikroorganismen Geobacter opdaget i Potomac River mudder af Lovley for mere end 30 år siden. Geobacter bruger proteinet nanotråde til at skabe elektriske forbindelser med andre mikrober eller mineraler. Han bemærker, "Materialvidenskabelige eksperter som Todd Emrick og Thomas Russell på vores hold fortjener æren for at bringe protein nanotråde ind i materialeområdet. Det handler ikke kun om mudder længere."

I dette arbejde støttet af UMass Amherst campus midler til sonderende forskning, De næste trin for det samarbejdende materiale-mikrobiologi-team omfatter opskalering af produktionen af ​​nanotråd-polymer-matricer, Loveley siger.

Han påpeger, "Materialeforskere har brug for mange flere nanotråde, end vi er vant til at lave. Vi lavede fingerbøl til vores biologiske undersøgelser. De har brug for spande fulde, så vi koncentrerer os nu om at producere større mængder og om at skræddersy nanotrådene, så de reagerer på andre molekyler." Forskerne har også ansøgt om patent på ideen om en ledende polymer lavet med protein nanotråde.