Los químicos de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Syracuse han logrado un avance transformador en una fuente de iluminación alternativa, una que no requiere batería ni enchufe.

El profesor asociado Mathew Maye y un equipo de investigadores de Syracuse, junto con colaboradores de Connecticut College, han demostrado recientemente una transferencia de energía de alta eficiencia entre las barras cuánticas de semiconductores y las enzimas luciferasas. Los bastones cuánticos y las enzimas luciferasas son nanomateriales y biomateriales, respectivamente. Cuando se combina correctamente, estos materiales producen bioluminiscencia, excepto, en lugar de provenir de un biomaterial, como una enzima de luciérnaga, la luz emana de un nanomaterial, y es verde, naranja, rojo, o en color del infrarrojo cercano.

"Piense en nuestro sistema como un proyecto de diseño, ", Dice Maye." Nuestro objetivo ha sido construir un nano-biosistema que sea lo suficientemente versátil como para enseñarnos mucho, al mismo tiempo que nos permite superar desafíos importantes en el campo y tener aplicaciones prácticas. El diseño incluye materiales de nuestros laboratorios de química y biología, así como diversas herramientas de nanociencia y autoensamblaje. Es un verdadero esfuerzo de equipo con múltiples colaboraciones ".

Maye ilustra su punto haciendo referencia a barras cuánticas, cada uno de los cuales tiene cuatro nanómetros de ancho y 50 nanómetros de largo. (Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro) ". Las varillas se sintetizaron químicamente con una precisión asombrosa, ", dice." Para obtener la mejor información, nos dimos cuenta de que necesitábamos al menos dos tipos diferentes de varillas, cada uno con tres variaciones afinadas sintéticamente, y hasta 10 condiciones de montaje diferentes ".

Tener una amplia gama de variables ha permitido a Maye y su equipo aprender más sobre la ciencia de la transferencia de energía de nanobiología.

Antes de convertirse en un postdoctorado en la Universidad de Notre Dame, Rabeka Alam G'13 dirigió el proyecto en Syracuse como Ph.D. estudiante. Ella dice que este trabajo ilumina un tipo especial de interacción conocida como transferencia de energía por resonancia de bioluminiscencia (BRET). "En nanociencia, un punto o varilla cuántica suele ser un donante de energía, ", dice." En nuestro caso, la energía procedía de la luciferasa bioluminiscente ".

Con BRET, la enzima está adherida a la superficie de la varilla. Se agrega luciferina, y actúa como una especie de combustible. Cuando la enzima y el combustible interactúan, liberan una energía que se transfiere a la varilla, haciendo que brille.

"El truco para aumentar la eficiencia [de BRET] es encontrar la combinación correcta de donante-aceptor, que requiere diferentes barras y enzimas, "dice Liliana Karam, un doctorado en Syracuse estudiante que actualmente lidera el proyecto. "Gracias a nuestros colegas de Connecticut College, tenemos enzimas manipuladas genéticamente de múltiples colores que se adhieren a las varillas, cuales, Sucesivamente, se preparan en nuestro laboratorio en Syracuse ".

Maye dice que las barras cuánticas están compuestas de elementos semiconductores, específicamente, una capa exterior de sulfuro de cadmio y un núcleo interior de seleniuro de cadmio. Manipulando el tamaño y la forma del núcleo, la longitud de la varilla, y la forma en que las enzimas se unen y empaquetan en la superficie de la varilla, los investigadores pueden alterar el color y la intensidad de la luz que se emite, demostrando así la eficacia global del proceso.

Postodc Tennyson Doane, miembro senior del Maye Research Group, dice que uno de los avances del proyecto involucra un tipo especial de varilla conocida como "varilla en varilla". El grupo ha planteado la hipótesis de por qué esta varilla en particular da como resultado ganancias de alta eficiencia.

"Cuando tienes un núcleo en forma de varilla, la fluorescencia resultante está polarizada, lo que significa que entra luz circular, y sale luz linealmente polarizada, "dice Doane, agregando que la forma del material hace que BRET sea más eficiente. "Creemos que, cuando se alinea correctamente con el estado excitado por luciferasa, la barra experimenta ganancias de eficiencia que de otra manera no se verían en un nanosistema autoensamblado. El control de la ubicación de la enzima y la polarización de la bioluminiscencia puede, Un día, conducen a interruptores de luz novedosos, "en el que solo ciertas enzimas alrededor de la barra cuántica pueden interactuar a través de BRET".

Maye llama a esto "usar la biología para aplicaciones no biológicas".

"Nuestras nanobarras están hechas de los mismos materiales que se utilizan en los chips de computadora, paneles solares, y luces LED [diodos emisores de luz]. En este momento, nuestro sistema funciona mejor en el rango del rojo al infrarrojo cercano, que tiene longitudes de onda más largas que la luz visible, y es invisible a los ojos, " él dice, aludiendo a las gafas de visión nocturna, imagenes medicas, y detección microbiana rápida. "Nuestro trabajo está pendiente de patente en Syracuse. Quizás, Algún día tendremos nanobarras cubiertas de luciérnagas que se pueden insertar en luces LED y no requieren un enchufe ".

Los hallazgos son el tema de un artículo reciente en ACS Nano .