Een team van ingenieurs van Lehigh University heeft een bacteriële methode gedemonstreerd voor de goedkope, milieuvriendelijke synthese van in water oplosbare quantum dot (QD) nanokristallen bij kamertemperatuur.

Hoofdonderzoekers Steven McIntosh, Bryan Berger en Christopher Kiely, samen met een team van chemische technologie, bio-engineering, en studenten materiaalwetenschappen presenteren deze nieuwe benadering voor de reproduceerbare biosynthese van extracellulaire, in water oplosbare QD's in het nummer van 1 juli van het tijdschrift Groene chemie . Dit is het eerste voorbeeld van ingenieurs die gebruik maken van het unieke vermogen van de natuur om kosteneffectieve en schaalbare productie van QD's te realiseren met behulp van een bacterieel proces.

Met behulp van een gemanipuleerde stam van Stenotrophomonas maltophilia om de deeltjesgrootte te regelen, het team biosynthetiseerde QD's met behulp van bacteriën en cadmiumsulfide om een ​​route naar goedkope, schaalbare en groene synthese van CdS-nanokristallen met extrinsieke kristallietgrootteregeling in het kwantumopsluitingsbereik. De oplossing levert extracellulaire, in water oplosbare kwantumdots van goedkope voorlopers bij omgevingstemperatuur en -druk. Het resultaat zijn CdS halfgeleider nanokristallen met bijbehorende grootte-afhankelijke band gap en fotoluminescente eigenschappen.

Deze biosynthetische benadering biedt een levensvatbaar pad om de belofte van groene bioproductie van deze materialen te realiseren. Het Lehigh-team presenteerde dit proces onlangs aan een nationale showcase van investeerders en industriële partners op de TechConnect 2015 World Innovation Conference en National Innovation Showcase in Washington, DC 14-17 juni.

"Biosynthetische QD's zullen de ontwikkeling mogelijk maken van een milieuvriendelijke, bio-geïnspireerd proces in tegenstelling tot de huidige benaderingen die afhankelijk zijn van hoge temperaturen, druk, giftige oplosmiddelen en dure voorlopers, " zegt Berger. "We hebben een unieke, 'groene' aanpak die zowel de kosten als de impact op het milieu aanzienlijk vermindert."

Kwantumstippen, die worden gebruikt in diverse toepassingen, zoals medische beeldvorming, verlichting, weergavetechnologieën, zonnepanelen, fotokatalysatoren, hernieuwbare energie en opto-elektronica, zijn doorgaans duur en ingewikkeld te vervaardigen. Vooral, huidige chemische synthesemethoden gebruiken hoge temperaturen en giftige oplosmiddelen, die milieusanering duur en uitdagend maken.

Dit nieuw beschreven proces maakt de productie van kwantumdots mogelijk met behulp van een milieuvriendelijk proces en tegen een fractie van de kosten. Terwijl in conventionele productietechnieken QD's momenteel $ 1 kosten, 000-$10, 000 per gram, de biofabricagetechniek verlaagt die kosten tot ongeveer $ 1- $ 10 per gram. De substantiële verlaging van de kosten maakt grootschalige productie van QD's mogelijk die geschikt zijn voor gebruik in commerciële toepassingen.

"We schatten de opbrengsten in de orde van gram per liter van batchculturen onder geoptimaliseerde omstandigheden, en zijn in staat om een ​​breed scala aan CdS QD's te reproduceren, ', zegt Steven McIntosh.

Het onderzoek wordt gefinancierd door de National Science Foundation's Division of Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI Grant nr. 1332349) en bouwt voort op het succes van de initiële financiering, geleverd door Lehigh's Faculty Innovation Grant (FIG) en Collaborative Research Opportunity Grant (CORE) programma's.

De Lehigh onderzoeksgroep onderzoekt ook, via de EFRI-divisie van de NSF, de uitbreiding van dit werk met een breed scala aan andere functionele materialen. Functionele materialen zijn materialen met een gecontroleerde samenstelling, maat, en structuur om gewenste interacties met licht te vergemakkelijken, elektrische of magnetische velden, of chemische omgeving om unieke functionaliteit te bieden in een breed scala aan toepassingen, van energie tot medicijnen.

McIntosh zei, "Hoewel de biosynthese van structurele materialen relatief goed ingeburgerd is, het benutten van de natuur om functionele anorganische materialen te creëren, zal een weg banen naar een toekomstige milieuvriendelijke, op bioproductie gebaseerde economie. Wij geloven dat dit werk de eerste stap op dit pad is."