(Phys.org)—Sinds de eerste lamp van Edison, warmte is een meestal ongewenst bijproduct van licht. Nu veranderen onderzoekers van Rice University licht in warmte op het moment dat het nodig is, op nanoschaal, om op verzoek biochemische reacties op afstand te activeren.

De methode die is ontwikkeld door de Rice-labs van Michael Wong, Ramon Gonzalez en Naomi Halas en rapporteerde vandaag in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano maakt gebruik van materialen die zijn afgeleid van unieke microben – thermofielen – die gedijen bij hoge temperaturen maar uitschakelen bij kamertemperatuur.

Het Rice-project onder leiding van postdoctoraal fellow Matthew Blankschien en afgestudeerde student Lori Pretzer combineert enzymen van deze wezens met plasmonische gouden nanodeeltjes die opwarmen wanneer ze worden blootgesteld aan nabij-infrarood licht. Dat activeert de enzymen, die dan hun functie kunnen uitoefenen.

Hierdoor kunnen chemische processen effectief plaatsvinden bij lagere temperaturen. Omdat verwarming alleen plaatsvindt waar nodig - aan het oppervlak van het nanodeeltje, waar het het enzym activeert - de omgeving blijft koeler.

Dat vindt Blankschien fascinerend.

"In principe, we profiteren van de voordelen van productie bij hoge temperaturen zonder een omgeving met hoge temperaturen nodig te hebben, " zei Blankschien, die twee jaar geleden de Peter en Ruth Nicholas Postdoctoral Fellowship won om aan deze ideeën te werken. "De uitdaging was om de hogere temperatuur bij het nanodeeltje te houden, waar het enzym wordt geactiveerd, om de omgeving eromheen te beïnvloeden."

De techniek heeft een groot potentieel voor industriële processen die nu warmte vereisen of profiteren van triggering op afstand met licht.

"De implicaties zijn best spannend, " zei Wong, een professor in de chemische en biomoleculaire engineering en in de chemie. "In de chemische industrie er is altijd behoefte aan betere katalytische materialen zodat ze goedkoper kunnen reageren, meer 'groen' en duurzamer. Je moet niet door liters oplosmiddel lopen om een ​​milligram product te maken, zelfs als je het voor veel geld kunt verkopen."

Voor de industrie, alleen al de potentiële energiebesparingen kunnen het Rice-proces de moeite waard maken om te onderzoeken. "Hier gebruiken we 'gratis' energie, " zei Wong. "In plaats van een grote ketel nodig te hebben om stoom te produceren, je doet een energiezuinige gloeilamp aan, zoals een led. Of open een raam."

Het deeltje in het midden van het proces is een gouden nanostaaf van ongeveer 10 nanometer breed en 30 lang die opwarmt wanneer hij wordt geraakt met nabij-infrarood licht van een laser. De staafjes hebben precies de juiste maat en vorm om op ongeveer 800 nanometer te reageren op licht. Het licht wekt oppervlakteplasmonen op die rimpelen als water in een poel, in dit geval energie als warmte afgeven.

Het Rice-lab van Halas staat bekend om het pionieren met het gebruik van gouden nanoshells (een verwant materiaal) om kanker te behandelen door tumoren aan te pakken met deeltjes die in bulk worden verwarmd om tumoren van binnenuit te doden. De therapie is nu in proeven bij mensen.

Het nieuwe onderzoek neemt een iets andere aanpak door nanodeeltjes te verwarmen die zijn gedrapeerd met een model thermofiel enzym, glucokinase, van Aeropyrum pernix. A. pernix is ​​een microbe die in 1996 is ontdekt en gedijt in de buurt van hete onderwateropeningen voor de kust van Japan. Bij ongeveer 176 graden Fahrenheit, A. pernix breekt glucose af, een proces dat nodig is voor bijna elk levend wezen. Het enzym kan herhaaldelijk worden verwarmd en gekoeld.

In hun experimenten, Blankschien en Pretzer gekloond, gezuiverde en gewijzigde glucokinase-enzymen zodat ze zich aan de gouden nanodeeltjes zouden hechten. De enzym/nanodeeltjescomplexen werden vervolgens gesuspendeerd in een oplossing en getest op glucoseafbraak. Wanneer de oplossing in bulk werd verwarmd, ze ontdekten dat de complexen zeer actief werden bij 176 graden, zoals verwacht.

Vervolgens werden de complexen ingekapseld in een gelachtige kraal van calciumalginaat, dat helpt de warmte binnen te houden, maar is poreus genoeg om enzymen te laten reageren met materialen eromheen. Bij bulkverwarming, de prestaties van de enzymen daalden dramatisch omdat de korrels de enzymen te goed isoleerden.

Maar toen ingekapselde complexen werden verlicht door continue, nabij-infrarood laserlicht, ze werkten aanzienlijk beter dan onder bulkverwarming terwijl ze de oplossing op bijna kamertemperatuur lieten. De onderzoekers vonden de complexen robuust genoeg voor wekenlang hergebruik.

"Hoe vergezocht het ook klinkt, Ik denk dat chemische bedrijven geïnteresseerd zullen zijn in het idee om licht te gebruiken om chemicaliën te maken, "Zei Wong. "Ze zijn altijd geïnteresseerd in nieuwe technologieën die kunnen helpen om chemische producten goedkoper te maken."

Hij ziet andere mogelijke toepassingen voor de nieuwe aanpak bij de productie van brandstoffen uit afbraak van biomassa zoals lignocellulose; voor de vervaardiging van geneesmiddelen op aanvraag - misschien van tatoeages met nanodeeltjes op het lichaam; of zelfs voor het verlagen van de bloedsuikerspiegels als een andere manier om diabetes te behandelen.

"Dat we nu deze deeltjes kunnen maken is geweldig, " zei Wong. "Het volgende spannende deel is nadenken over hoe we ze kunnen inzetten."

Ryan Huschka, een co-auteur van het artikel, is een voormalige Rice-afgestudeerde student en nu een assistent-professor scheikunde aan de Newman University. Halas is de Stanley C. Moore Professor in Electrical and Computer Engineering, een professor in de biomedische technologie, scheikunde, natuurkunde en sterrenkunde en directeur van Rice's Laboratory for Nanophotonics. Gonzales is universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en ook van bio-engineering

Het onderzoek werd ondersteund door het Peter en Ruth Nicholas Postdoctoral Fellowship-programma, beheerd door het Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, het Rice University Institute of Biosciences en Bioengineering Hamill Innovations Award-programma, het Rice University Faculty Initiatives Fund, de Robert A. Welch Stichting, de National Security Science and Engineering Faculty Fellowship, het Defense Threduction Agency, het Air Force Office of Scientific Research en de National Science Foundation.