Wat doen vuurvliegjes, nanostaafjes en kerstverlichting gemeen hebben? op een dag, consumenten kunnen mogelijk veelkleurige lichtsnoeren kopen die geen elektriciteit of batterijen nodig hebben om te gloeien. Wetenschappers van het College of Arts and Sciences van de Universiteit van Syracuse hebben een nieuwe manier gevonden om het natuurlijke licht van vuurvliegjes (bioluminescentie genaamd) te benutten met behulp van nanowetenschap. Hun doorbraak levert een systeem op dat 20 tot 30 keer efficiënter is dan die van eerdere experimenten.

Het draait allemaal om de grootte en structuur van de gewoonte, kwantum nanostaafjes, die in het laboratorium worden geproduceerd door Mathew Maye, assistent-professor scheikunde in SU's College of Arts and Sciences; en Rabeka Alam, een scheikunde Ph.D. kandidaat. Maye is ook lid van het Syracuse Biomaterials Institute.

"Firefly-licht is een van de beste voorbeelden van bioluminescentie in de natuur, " zegt Maye. "Het licht is extreem helder en efficiënt. We hebben een nieuwe manier gevonden om biologie te gebruiken voor niet-biologische toepassingen door de interface tussen de biologische en niet-biologische componenten te manipuleren."

Hun werk, "Kwantumstaven ontwerpen voor geoptimaliseerde energieoverdracht met Firefly Luciferase-enzymen, " werd online gepubliceerd op 23 mei in Nano-letters en verschijnt binnenkort in druk. Aan het onderzoek werkten professor Bruce Branchini en Danielle Fontaine mee, beide van Connecticut College.

Vuurvliegjes produceren licht door een chemische reactie tussen luciferine en zijn tegenhanger, het enzym luciferase. In het laboratorium van Maye, het enzym zit vast aan het oppervlak van de nanostaaf; luciferine, die later wordt toegevoegd, dient als brandstof. De energie die vrijkomt wanneer de brandstof en het enzym op elkaar inwerken, wordt overgebracht naar de nanostaafjes, waardoor ze gaan gloeien. Het proces heet Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET).

"De truc om de efficiëntie van het systeem te vergroten, is door de afstand tussen het enzym en het oppervlak van de staaf te verkleinen en de architectuur van de staaf te optimaliseren, Maye zegt. "We hebben een manier ontworpen om genetisch gemanipuleerde luciferase-enzymen rechtstreeks aan het oppervlak van de nanostaaf te hechten." Maye's medewerkers aan Connecticut College leverden het genetisch gemanipuleerde luciferase-enzym.

De nanostaafjes zijn samengesteld uit een buitenste schil van cadmiumsulfide en een binnenste kern van cadmiumseleneide. Beide zijn halfgeleidermetalen. De grootte van de kern manipuleren, en de lengte van de staaf, verandert de kleur van het licht dat wordt geproduceerd. De kleuren die in het laboratorium worden geproduceerd, zijn niet mogelijk voor vuurvliegjes. Maye's nanostaafjes gloeien groen, oranje en rood. Vuurvliegjes geven van nature een gelige gloed af. De efficiëntie van het systeem wordt gemeten op een BRET-schaal. De onderzoekers ontdekten dat hun meest efficiënte staven (BRET-schaal van 44) voorkwamen voor een speciale staafarchitectuur (rod-in-rod genoemd) die licht uitstraalde in het nabij-infraroodlichtbereik. Infrarood licht heeft langere golflengten dan zichtbaar licht en is onzichtbaar voor het oog. Infraroodverlichting is belangrijk voor zaken als nachtkijkers, telescopen, camera's en medische beeldvorming.

Maye's en Alam's met vuurvliegjes geconjugeerde nanostaafjes bestaan ​​momenteel alleen in hun chemielaboratorium. Er is aanvullend onderzoek gaande om methoden te ontwikkelen om de chemische reactie - en energieoverdracht - voor langere tijd in stand te houden en om het systeem te "opschalen". Maye gelooft dat het systeem de meeste belofte inhoudt voor toekomstige technologieën die chemische energie direct in licht zullen omzetten; echter, het idee van gloeiende nanostaafjes ter vervanging van LED-verlichting is niet het spul van science fiction.

"De nanostaafjes zijn gemaakt van dezelfde materialen die worden gebruikt in computerchips, zonnepanelen en led-verlichting, "zegt Maye. "Het is denkbaar dat op een dag met vuurvliegjes gecoate nanostaafjes in LED-lampen kunnen worden gestoken die je niet hoeft aan te sluiten."