Quantum dots (QD's) zijn halfgeleidende nanokristallen die worden gewaardeerd om hun optische en elektronische eigenschappen. De briljante, pure kleuren geproduceerd door QD's wanneer ze worden gestimuleerd met ultraviolet licht, zijn ideaal voor gebruik in flatscreens, medische beeldvormingsapparatuur, zonnepanelen en leds. Een obstakel voor massaproductie en wijdverbreid gebruik van deze wonderdeeltjes is de moeilijkheid en kosten die gepaard gaan met de huidige chemische productiemethoden die vaak warmte, hoge druk en giftige oplosmiddelen.

Maar nu hebben drie ingenieurs van Lehigh University met succes de eerste nauwkeurig gecontroleerde, biologische manier om kwantumdots te maken met behulp van een enkel enzym, de weg vrijmaken voor een aanzienlijk snellere, goedkopere en groenere productiemethode.

Het Lehigh-team - Bryan Berger, Klasse van 1961 universitair hoofddocent, Chemische en biomoleculaire techniek; Chris Kiely, Harold B. Chambers Hoogleraar, Materials Science and Engineering en Steven McIntosh, Klasse van 1961 universitair hoofddocent, Chemische en biomoleculaire techniek, samen met Ph.D. kandidaat Li Lu en student Robert Dunleavy - hebben hun bevindingen gedetailleerd beschreven in een artikel genaamd "Single Enzyme Biomineralization of Cadmium Sulfide Nanocrystals with Controlled Optical Properties", gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Het mooie van een biologische benadering is dat het de productiebehoeften vermindert, milieubelasting en productietijd vrij veel, ' zegt Berger.

In juli vorig jaar, het werk van het team stond op de cover van Groene chemie beschrijven hun gebruik van "gerichte evolutie" om een ​​bacteriestam genaamd Stenotophomonas maltophilia te veranderen om selectief cadmiumsulfide QD's te produceren. Omdat ze ontdekten dat een enkel enzym geproduceerd door de bacteriën verantwoordelijk is voor QD-generatie, de celgebaseerde productieroute werd volledig geschrapt. De cadmiumsulfide QD's, zoals ze nu hebben laten zien in het PNAS-artikel, kan worden gegenereerd met hetzelfde enzym dat is gesynthetiseerd uit andere gemakkelijk te ontwikkelen bacteriën zoals E. coli.

"We hebben het enzym verder ontwikkeld dan de natuur heeft bedoeld, " zegt Berger, engineering om niet alleen de kristalstructuur van de QD's te maken, maar controleer hun grootte. Het resultaat is het vermogen om op uniforme wijze kwantumdots te produceren die een bepaalde kleur uitstralen die ze kiezen - precies de eigenschap die dit materiaal aantrekkelijk maakt voor veel toepassingen.

Industriële processen nemen vele uren in beslag om de nanokristallen te laten groeien, die vervolgens aanvullende verwerkings- en zuiveringsstappen moeten ondergaan. Biosynthese, anderzijds, duurt maximaal enkele minuten tot een paar uur om het volledige bereik van kwantumdotgroottes (ongeveer 2 tot 3 nanometer) in een continue, milieuvriendelijk proces bij omgevingscondities in water dat geen nabewerkingsstappen nodig heeft om de finale te oogsten, wateroplosbaar product.

Om de methodologie te perfectioneren om individuele nanodeeltjes structureel te analyseren, was een zeer geavanceerde Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) nodig. Lehigh's Electron Microscopy and Nanofabrication Facility was in staat om een ​​ultramodern instrument van $ 4,5 miljoen te leveren waarmee de onderzoekers de structuur en samenstelling van elke QD konden onderzoeken, die slechts uit tientallen tot honderden atomen bestaat.

"Zelfs met deze nieuwe microscoop, we zoeken de grenzen op van wat kan, ' zegt Kiely.

Het instrument scant een ultrafijne elektronenstraal over een veld van QD's. De atomen verstrooien de elektronen in de bundel, het produceren van een soort schaduwbeeld op een fluorescerend scherm, vergelijkbaar met de manier waarop een object dat licht blokkeert, een schaduw op de muur produceert. Een digitale camera neemt het sterk vergrote beeld met atomaire resolutie van het nanokristal op voor analyse.

Het team staat klaar om zijn laboratoriumsucces op te schalen tot een productieonderneming die goedkope QD's op een milieuvriendelijke manier maakt. Conventionele chemische productie kost $ 1, 000 tot $ 10, 000 per gram. Een biofabricagetechniek kan de prijs mogelijk met minstens een factor 10 verlagen, en het team schat de opbrengst in de orde van gram per liter van elke batchcultuur, zegt McIntosh.

Een lange blik werpen, de drie collega's hopen dat hun methode zal leiden tot een overvloed aan toekomstige QD-toepassingen, zoals groenere productie van methanol, een milieuvriendelijke brandstof die kan worden gebruikt voor auto's, verwarmingstoestellen en elektriciteitsopwekking. Waterzuivering en metaalrecycling zijn twee andere mogelijke toepassingen voor deze technologie.

"We willen veel verschillende soorten functionele materialen maken en grootschalige functionele materialen maken, evenals individuele kwantumdots, ', zegt McIntosh.

Hij stelt zich voor een proces te ontwikkelen waarbij individuele kwantumstippen zichzelf rangschikken in macrostructuren, zoals de natuur een schaal van een weekdier laat groeien uit individuele anorganische nanodeeltjes of mensen kunstmatig weefsel kweken in een laboratorium.

"Als we meer van het materiaal kunnen maken en kunnen bepalen hoe het is gestructureerd, terwijl we de kernfunctionaliteit behouden, we zouden mogelijk een zonnecel kunnen krijgen om zichzelf te assembleren met kwantumstippen."