Een interdisciplinair team van wetenschappers aan de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft een nieuwe klasse van elektronische materialen geproduceerd die kunnen leiden tot een "groene, " een duurzamere toekomst in biomedische en milieudetectie, zeggen onderzoeksleiders microbioloog Derek Lovley en polymeerwetenschapper Todd Emrick.

Ze zeggen dat hun nieuwe werk aantoont dat het mogelijk is om eiwitnanodraden te combineren met een polymeer om een ​​flexibel elektronisch composietmateriaal te produceren dat de elektrische geleidbaarheid en unieke detectiemogelijkheden van eiwitnanodraden behoudt. Resultaten verschijnen in het tijdschrift Klein .

Eiwitnanodraden hebben veel voordelen ten opzichte van de siliciumnanodraden en koolstofnanobuizen in termen van hun biocompatibiliteit, stabiliteit, en potentieel om te worden aangepast om een ​​breed scala aan biomoleculen en chemicaliën van medisch of ecologisch belang te detecteren, zegt Lovely. Echter, deze sensortoepassingen vereisen dat de eiwitnanodraden worden opgenomen in een flexibele matrix die geschikt is voor het vervaardigen van draagbare detectieapparaten of andere soorten elektronische apparaten.

Zoals Lovley uitlegt, "We bestuderen al meer dan tien jaar de biologische functie van eiwitnanodraden, maar het is pas nu dat we een pad voorwaarts kunnen zien voor hun gebruik in de praktische fabricage van elektronische apparaten." Postdoctoraal onderzoek Yun-Lu Sun, nu aan de Universiteit van Texas in Austin, ontdekte de juiste omstandigheden voor het mengen van eiwitnanodraden met een niet-geleidend polymeer om het elektrisch geleidende composietmateriaal te verkrijgen. Hij toonde aan dat hoewel de draden van eiwit zijn gemaakt, ze zijn zeer duurzaam en gemakkelijk te verwerken tot nieuwe materialen.

"Een bijkomend voordeel is dat eiwitnanodraden een echt 'groen, ' duurzaam materiaal, " Lovley voegt toe. "We kunnen eiwitnanodraden in massa produceren met microben die zijn gekweekt met hernieuwbare grondstoffen. De vervaardiging van meer traditionele nanodraadmaterialen vereist een hoge energie-input en een aantal echt vervelende chemicaliën." hij zegt, "Eiwit-nanodraden zijn dunner dan siliciumdraden, en in tegenstelling tot silicium stabiel zijn in water, wat erg belangrijk is voor biomedische toepassingen, zoals het detecteren van metabolieten in zweet."

Emrick voegt toe, "Deze elektronische eiwit-nanodraden vertonen een verrassende gelijkenis met polymeervezels en we proberen erachter te komen hoe we de twee het meest effectief kunnen combineren."

In hun proof-of-concept-onderzoek, de eiwit-nanodraden vormden een elektrisch geleidend netwerk wanneer ze in het polymeer polyvinylalcohol werden geïntroduceerd. Het materiaal kan worden behandeld onder zware omstandigheden, zoals warmte, of extreme pH zoals hoge zuurgraad, waarvan zou kunnen worden verwacht dat het een op eiwit gebaseerd composiet verpest, maar het bleef goed werken.

De geleidbaarheid van de in het polymeer ingebedde eiwitnanodraden veranderde drastisch als reactie op de pH. "Dit is een belangrijke biomedische parameterdiagnose van een aantal ernstige medische aandoeningen, " legt Lovley uit. "We kunnen ook de structuur van de eiwitnanodraden genetisch wijzigen op manieren waarvan we verwachten dat ze de detectie van een breed scala aan andere moleculen van biomedische betekenis mogelijk zullen maken."

De elektrisch geleidende eiwit-nanodraden zijn een natuurlijk product van het micro-organisme Geobacter dat meer dan 30 jaar geleden door Lovley in de modder van de Potomac River werd ontdekt. Geobacter gebruikt de eiwit nanodraden om elektrische verbindingen te maken met andere microben of mineralen. Hij merkt op, "Experts op het gebied van materiaalwetenschap zoals Todd Emrick en Thomas Russell in ons team verdienen de eer om eiwit-nanodraden in het materiaalveld te brengen. Het gaat niet alleen meer om modder."

In dit werk ondersteund door UMass Amherst campusfondsen voor verkennend onderzoek, volgende stappen voor het samenwerkende materiaal-microbiologieteam zijn onder meer het opschalen van de productie van nanodraad-polymeermatrices, zegt Lovely.

Hij maakt duidelijk, "Materiaalwetenschappers hebben veel meer nanodraden nodig dan we gewend zijn te maken. We maakten vingerhoedjes voor onze biologische studies. Ze hebben emmers vol nodig, dus concentreren we ons nu op het produceren van grotere hoeveelheden en op het afstemmen van de nanodraden zodat ze zullen reageren op andere moleculen." De onderzoekers hebben ook patent aangevraagd op het idee van een geleidend polymeer gemaakt met eiwitnanodraden.