(PhysOrg.com) - Los ingenieros eléctricos llevan mucho tiempo jugando con la idea de diseñar moléculas biológicas que puedan integrarse directamente en circuitos electrónicos. Los investigadores de la Universidad de Pensilvania han desarrollado una forma de formar estas estructuras para que puedan operar en entornos al aire libre, y, más importante, han desarrollado una nueva técnica de microscopio que puede medir las propiedades eléctricas de estos y otros dispositivos similares.

La investigación fue realizada por Dawn Bonnell, Fideicomisario Profesor y director del Nano / Bio Interface Center, los estudiantes graduados Kendra Kathan-Galipeau y Maxim Nikiforov y el becario postdoctoral Sanjini Nanayakkara, todo el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. Colaboraron con el profesor asistente Bohdana Discher del Departamento de Biofísica y Bioquímica de la Facultad de Medicina Perelman de Penn y Paul A. O’Brien, estudiante de posgrado en el Programa de Maestría en Biotecnología de Penn.

Su trabajo fue publicado en la revista ACS Nano .

El desarrollo involucra proteínas artificiales, haces de hélices de péptidos con una molécula fotoactiva en su interior. Estas proteínas están dispuestas en electrodos, que son característica común de los circuitos que transmiten cargas eléctricas entre elementos metálicos y no metálicos. Cuando la luz incide sobre las proteínas, convierten fotones en electrones y los pasan al electrodo.

“Es un mecanismo similar a lo que sucede cuando las plantas absorben la luz, excepto en ese caso, el electrón se usa para alguna química que crea energía para la planta, —Dijo Bonnell. "En este caso, queremos usar el electrón en circuitos eléctricos ".

Varios grupos habían estudiado antes conjuntos de péptidos similares en solución y se habían probado para demostrar que realmente reaccionan a la luz. Pero no había forma de cuantificar sus propiedades eléctricas ambientales, particularmente capacitancia, la cantidad de carga eléctrica que contiene el conjunto.

“Es necesario comprender este tipo de propiedades en las moléculas para poder fabricar dispositivos con ellas. Hemos estado estudiando el silicio durante 40 años, para que sepamos lo que les sucede a los electrones allí, —Dijo Bonnell. “No sabíamos qué les pasaba a los electrones en electrodos secos con estas proteínas; ni siquiera sabíamos si permanecerían fotoactivos cuando se unieran a un electrodo ".

Diseñar circuitos y dispositivos con silicio es intrínsecamente más fácil que con proteínas. Las propiedades eléctricas de una gran parte de un solo elemento se pueden medir y luego reducir, pero las moléculas complejas como estas proteínas no se pueden ampliar. Los sistemas de diagnóstico que pudieran medir sus propiedades con sensibilidad nanométrica simplemente no existían.

Por lo tanto, los investigadores necesitaban inventar tanto una nueva forma de medir estas propiedades como una forma controlada de producir proteínas fotovoltaicas que se asemejara a cómo podrían eventualmente incorporarse en dispositivos al aire libre. entornos cotidianos, en lugar de nadar en una solución química.

Para resolver el primer problema, el equipo desarrolló un nuevo tipo de técnica de microscopio de fuerza atómica, conocido como microscopía de nanoimpedancia de resonancia torsional. Los microscopios de fuerza atómica operan acercando una punta de silicio extremadamente estrecha a una superficie y midiendo cómo reacciona la punta. proporcionando una sensibilidad espacial de unos pocos nanómetros hasta los átomos individuales.

“Lo que hemos hecho en nuestra versión es usar una punta metálica y ponerle un campo eléctrico oscilante. Al ver cómo reaccionan los electrones al campo, podemos medir interacciones más complejas y propiedades más complejas, como capacitancia, —Dijo Bonnell.

El grupo de Bohdana Discher diseñó las proteínas de autoensamblaje como lo había hecho antes, pero dio el paso adicional de estamparlas en láminas de electrodos de grafito. Este principio de fabricación y la capacidad de medir los dispositivos resultantes podrían tener una variedad de aplicaciones.

“La energía fotovoltaica (células solares) es quizás la más fácil de imaginar, pero hacia donde se dirige este trabajo a corto plazo son los sensores bioquímicos, —Dijo Bonnell.

En lugar de reaccionar a los fotones, Las proteínas podrían diseñarse para producir una carga cuando están en presencia de ciertas toxinas, ya sea cambiando de color o actuando como un elemento de circuito en un dispositivo a escala humana.