(PhysOrg.com) -- Elektrotechnici spelen al lang met het idee om biologische moleculen te ontwerpen die direct in elektronische circuits kunnen worden geïntegreerd. Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een manier ontwikkeld om deze structuren te vormen, zodat ze in open lucht kunnen werken, en, belangrijker, hebben een nieuwe microscooptechniek ontwikkeld die de elektrische eigenschappen van deze en soortgelijke apparaten kan meten.

Het onderzoek is uitgevoerd door Dawn Bonnell, Trustee Chair Professor en directeur van het Nano/Bio Interface Center, afgestudeerde studenten Kendra Kathan-Galipeau en Maxim Nikiforov en postdoctoraal fellow Sanjini Nanayakkara, alle van het Department of Materials Science and Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science. Ze werkten samen met assistent-professor Bohdana Discher van de afdeling Biofysica en Biochemie aan de Penn's Perelman School of Medicine en Paul A. O'Brien, een afgestudeerde student in Penn's Biotechnology Masters Program.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

De ontwikkeling omvat kunstmatige eiwitten, bundels van peptidehelices met een fotoactief molecuul erin. Deze eiwitten zijn gerangschikt op elektroden, die een gemeenschappelijk kenmerk zijn van circuits die elektrische ladingen overbrengen tussen metalen en niet-metalen elementen. Als er licht op de eiwitten schijnt, ze zetten fotonen om in elektronen en geven ze door aan de elektrode.

“Het is een soortgelijk mechanisme als wat er gebeurt als planten licht absorberen, behalve in dat geval wordt het elektron gebruikt voor een of andere chemie die energie voor de plant creëert, ' zei Bonnel. “In dit geval we willen het elektron gebruiken in elektrische circuits.”

Vergelijkbare peptidesamenstellingen waren eerder in oplossing bestudeerd door verschillende groepen en waren getest om aan te tonen dat ze inderdaad op licht reageren. Maar er was geen manier om hun elektrische omgevingseigenschappen te kwantificeren, in het bijzonder capaciteit, de hoeveelheid elektrische lading die het samenstel vasthoudt.

"Het is nodig om dit soort eigenschappen in de moleculen te begrijpen om er apparaten van te maken. We bestuderen al 40 jaar silicium, dus we weten wat daar met elektronen gebeurt, ' zei Bonnel. “We wisten niet wat er gebeurt met elektronen op droge elektroden met deze eiwitten; we wisten niet eens of ze fotoactief zouden blijven als ze op een elektrode werden bevestigd.”

Het ontwerpen van circuits en apparaten met silicium is inherent eenvoudiger dan met eiwitten. De elektrische eigenschappen van een groot deel van een enkel element kunnen worden gemeten en vervolgens worden verkleind, maar complexe moleculen zoals deze eiwitten kunnen niet worden opgeschaald. Diagnostische systemen die hun eigenschappen met nanometergevoeligheid konden meten, bestonden simpelweg niet.

De onderzoekers moesten daarom zowel een nieuwe manier bedenken om deze eigenschappen te meten als een gecontroleerde manier om de fotovoltaïsche eiwitten te maken die eruit zouden zien als hoe ze uiteindelijk in apparaten in de open lucht zouden kunnen worden ingebouwd, alledaagse omgevingen, in plaats van in een chemische oplossing te zwemmen.

Om het eerste probleem op te lossen, het team ontwikkelde een nieuw soort atoomkrachtmicroscooptechniek, bekend als torsieresonantie nano-impedantiemicroscopie. Atoomkrachtmicroscopen werken door een extreem smalle siliciumpunt heel dicht bij een oppervlak te brengen en te meten hoe de punt reageert, met een ruimtelijke gevoeligheid van enkele nanometers tot aan individuele atomen.

"Wat we in onze versie hebben gedaan, is een metalen punt gebruiken en er een oscillerend elektrisch veld op zetten. Door te kijken hoe elektronen op het veld reageren, we kunnen complexere interacties en complexere eigenschappen meten, zoals capaciteit, ' zei Bonnel.

De groep van Bohdana Discher ontwierp de zelfassemblerende eiwitten zoals ze eerder hadden gedaan, maar nam de extra stap om ze op vellen grafietelektroden te stempelen. Dit fabricageprincipe en de mogelijkheid om de resulterende apparaten te meten, kunnen verschillende toepassingen hebben.

"Fotovoltaïsche zonnecellen - zijn misschien het gemakkelijkst voor te stellen, maar waar dit werk op kortere termijn naartoe gaat, zijn biochemische sensoren, ' zei Bonnel.

In plaats van te reageren op fotonen, eiwitten kunnen worden ontworpen om een ​​lading te produceren in aanwezigheid van bepaalde toxines, ofwel van kleur veranderen of fungeren als een circuitelement in een gadget op menselijke schaal.