Geïnspireerd door fictieve cyborgs zoals Terminator, een team van onderzoekers van de University of Michigan en de University of Pittsburgh heeft de eerste bionische deeltjes gemaakt van halfgeleiders en eiwitten.

Deze deeltjes vormen het hart van het proces waarmee planten zonlicht in brandstof kunnen omzetten.

"Menselijke pogingen om de energie van zonlicht om te zetten in biobrandstoffen met behulp van kunstmatige materialen of hele organismen hebben een lage efficiëntie, " zei Nicholas Kotov, de Florence B. Cejka Professor of Engineering aan de Universiteit van Michigan, die het experiment leidde.

Een bionische benadering zou daar verandering in kunnen brengen.

De bionische deeltjes combineren de sterke punten van anorganische materialen, die lichtenergie gemakkelijk kan omzetten in elektronenenergie, met biologische moleculen waarvan de chemische functies door evolutie sterk zijn ontwikkeld.

Het team ontwierp de deeltjes eerst om cadmiumtelluride te combineren, een halfgeleider die veel wordt gebruikt in zonnecellen, met cytochroom C, een eiwit dat door planten wordt gebruikt om elektronen te transporteren bij fotosynthese. Met deze combinatie, de halfgeleider kan een straal van de zon in een elektron veranderen, en het cytochroom C kan dat elektron wegtrekken voor gebruik in chemische reacties die vervuiling kunnen opruimen of brandstof kunnen produceren, bijvoorbeeld.

Om reacties te stimuleren, de moleculen van cytochroom C en nanodeeltjes van cadmiumtelluride moeten elektronen uitwisselen. Dit proces zou het meest efficiënt zijn als de componenten waren aangesloten, dus ontwierp het team een ​​proces waarmee ze zichzelf zouden kunnen assembleren tot superdeeltjes.

U-M's Sharon Glotzer, de Stuart W. Churchill hoogleraar chemische technologie, die de simulaties leidde, vergelijkt de zelfassemblage met de manier waarop de oppervlakken van levende cellen zich vormen, gebruikmakend van aantrekkingskrachten die sterk zijn op kleine schaal, maar verzwakken naarmate de structuur groeit. Kotov's groep bevestigde dat de halfgeleiderdeeltjes en eiwitten van nature samenkomen tot grotere deeltjes, ongeveer 100 nanometer (0,0001 millimeter) in diameter.

Het team bouwde voort op deze formule voor hun testreactie. Ze veranderden het vervuilende nitraat in nitriet en zuurstof, wat aantoont dat de bionische deeltjes zonlicht kunnen benutten om chemische reacties op gang te brengen. Voor dit proces is de halfgeleider en cytochroom C hadden hulp nodig van andere enzymen, die het team in de superdeeltjes heeft verwerkt.

"We hebben biologisch en anorganisch samengevoegd op een manier die de eigenschappen van beide gebruikt om iets beters te krijgen dan elk afzonderlijk, ' zei Glotzer.

Aangedreven door elektronen van het cytochroom C, het enzym zou zuurstof uit nitraatmoleculen kunnen verwijderen.

Zoals de structuren die de fotosynthese in planten bewerkstelligen, de bionische deeltjes kregen een pak slaag van het omgaan met de energie. De natuur vernieuwt voortdurend deze werkende delen in planten, en door zelfmontage, de deeltjes kunnen zichzelf mogelijk ook vernieuwen.

Kotov zei dat ze mogelijk in een cyclus zouden kunnen werken die de deeltjes de tijd geeft om weer in elkaar te zetten na slijtage door gebruik. Hij legde uit dat de zelfassemblage plaatsvindt omdat de twee soorten bouwstenen van vergelijkbare grootte en lading zijn.

"Als de anorganische nanodeeltjes te klein zijn, zullen ze niet assembleren. Te groot, en ze ontrafelen de eiwitten, "zei hij. "En, als de nanodeeltjes en eiwitten tegengestelde ladingen hebben, ze vormen grote klonten en vallen uit de oplossing."

Glotzer zei dat nu ze begrijpen hoe de assemblageverschijnselen werken, "we kunnen ontwerpprincipes vinden om zowel de omstandigheden te optimaliseren als onze bevindingen uit te breiden naar andere soorten nanodeeltjes-eiwitsystemen."

Een doel is de omzetting van kooldioxide en water in aardgas, waardoor een groot deel van de huidige energie-infrastructuur zou kunnen blijven werken zonder netto koolstofemissies. Maar het team overweegt meer dan alleen kunstmatige fotosynthesetoepassingen.

"Deze ontwerpprincipes kunnen worden gebruikt om toekomstige ontwerpen voor andere bionische systemen te sturen, uitgaande van de primaire bouwstenen van biologische organismen en anorganische machines, "Zei Kotov. "Het is heel goed mogelijk dat Terminator van de toekomst zou moeten worden gebouwd vanuit dergelijke bouwstenen."