Los puntos cuánticos (QD) son nanocristales semiconductores apreciados por sus propiedades ópticas y electrónicas. El brillante, Los colores puros producidos por los QD cuando se estimulan con luz ultravioleta son ideales para usar en pantallas planas. dispositivos de imágenes médicas, Paneles solares y LED. Un obstáculo para la producción en masa y el uso generalizado de estas maravillosas partículas es la dificultad y el gasto asociados con los métodos actuales de fabricación de productos químicos que a menudo requieren calor, solventes tóxicos y de alta presión.

Pero ahora tres ingenieros de la Universidad de Lehigh han demostrado con éxito el primer control forma biológica de fabricar puntos cuánticos utilizando una sola enzima, allanando el camino para una Método de producción más económico y ecológico.

El equipo de Lehigh:Bryan Berger, Clase de 1961 Profesor Asociado, Ingeniería Química y Biomolecular; Chris Kiely, Harold B. Chambers Profesor titular, Ciencia e Ingeniería de Materiales y Steven McIntosh, Clase de 1961 Profesor Asociado, Ingeniería Química y Biomolecular, junto con Ph.D. Li Lu y el estudiante universitario Robert Dunleavy, han detallado sus hallazgos en un artículo titulado "Biomineralización de una sola enzima de nanocristales de sulfuro de cadmio con propiedades ópticas controladas" publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"La belleza de un enfoque biológico es que reduce las necesidades de producción, carga ambiental y tiempo de producción bastante, "dice Berger.

En julio del año pasado, El trabajo del equipo apareció en la portada de Química verde describiendo su uso de "evolución dirigida" para alterar una cepa bacteriana llamada Stenotophomonas maltophilia para producir selectivamente QD de sulfuro de cadmio. Debido a que descubrieron que una sola enzima producida por la bacteria es responsable de la generación de QD, la ruta de producción basada en células se descartó por completo. Los QD de sulfuro de cadmio, como han mostrado ahora en el artículo de PNAS, se puede generar con la misma enzima sintetizada a partir de otras bacterias fácilmente manipulables, como E. coli.

"Hemos desarrollado la enzima más allá de lo que pretendía la naturaleza, "dice Berger, diseñarlo para no solo hacer la estructura cristalina de los QD, pero controle su tamaño. El resultado es la capacidad de producir puntos cuánticos de manera uniforme que emiten cualquier color particular que elijan, la misma característica que hace que este material sea atractivo para muchas aplicaciones.

Los procesos industriales tardan muchas horas en hacer crecer los nanocristales, que luego deben someterse a pasos adicionales de procesamiento y purificación. Biosíntesis, por otra parte, toma de minutos a unas pocas horas como máximo para hacer el rango completo de tamaños de puntos cuánticos (alrededor de 2 a 3 nanómetros) de forma continua, proceso respetuoso con el medio ambiente en condiciones ambientales en agua que no necesita pasos posteriores al procesamiento para cosechar el producto final, producto soluble en agua.

Perfeccionar la metodología para analizar estructuralmente nanopartículas individuales requirió un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) altamente sofisticado. La instalación de microscopía electrónica y nanofabricación de Lehigh pudo proporcionar un instrumento de última generación de $ 4.5 millones que permitió a los investigadores examinar la estructura y composición de cada QD, que solo se compone de decenas a cientos de átomos.

"Incluso con este nuevo microscopio, estamos superando los límites de lo que se puede hacer, "dice Kiely.

El instrumento escanea un haz de electrones ultrafino a través de un campo de QD. Los átomos dispersan los electrones en el haz, produciendo una especie de imagen de sombra en una pantalla fluorescente, similar a la forma en que un objeto que bloquea la luz produce una sombra en la pared. Una cámara digital registra la imagen de resolución atómica muy ampliada del nanocristal para su análisis.

El equipo está preparado para convertir el éxito de su laboratorio en una empresa de fabricación que produzca QD económicos de forma ecológica. La fabricación de productos químicos convencionales cuesta $ 1, 000 a $ 10, 000 por gramo. Una técnica de biofabricación podría reducir el precio al menos en un factor de 10, y el equipo estima rendimientos del orden de gramos por litro de cada cultivo por lotes, dice McIntosh.

Mirando a largo plazo los tres colegas esperan que su método conduzca a una plétora de futuras aplicaciones de QD, como la fabricación más ecológica de metanol, un combustible ecológico que podría usarse para automóviles, Aparatos de calefacción y generación eléctrica. La purificación de agua y el reciclaje de metales son otros dos posibles usos de esta tecnología.

"Queremos crear muchos tipos diferentes de materiales funcionales y hacer materiales funcionales a gran escala, así como puntos cuánticos individuales, "dice McIntosh.

Se imagina desarrollando un proceso mediante el cual los puntos cuánticos individuales se organizan en macroestructuras, la forma en que la naturaleza hace crecer una concha de molusco a partir de nanopartículas inorgánicas individuales o los humanos cultivan tejido artificial en un laboratorio.

"Si podemos hacer más material y controlar cómo está estructurado mientras mantenemos su funcionalidad principal, potencialmente podríamos hacer que una célula solar se ensamblara con puntos cuánticos ".