(PhysOrg.com) -- Gli ingegneri elettrici hanno a lungo giocato con l'idea di progettare molecole biologiche che possono essere integrate direttamente nei circuiti elettronici. I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno sviluppato un modo per formare queste strutture in modo che possano operare in ambienti all'aperto, e, più importante, hanno sviluppato una nuova tecnica al microscopio in grado di misurare le proprietà elettriche di questi e dispositivi simili.

La ricerca è stata condotta da Dawn Bonnell, Professore presidente fiduciario e direttore del Nano/Bio Interface Center, gli studenti laureati Kendra Kathan-Galipeau e Maxim Nikiforov e il borsista post-dottorato Sanjini Nanayakkara, tutto il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn's School of Engineering and Applied Science. Hanno collaborato con l'assistente professore Bohdana Discher del Dipartimento di Biofisica e Biochimica presso la Perelman School of Medicine di Penn e Paul A. O'Brien, uno studente laureato al Penn's Biotechnology Masters Program.

Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista ACS Nano .

Lo sviluppo coinvolge proteine ​​artificiali, fasci di eliche peptidiche con all'interno una molecola fotoattiva. Queste proteine ​​sono disposte su elettrodi, che sono caratteristica comune dei circuiti che trasmettono cariche elettriche tra elementi metallici e non metallici. Quando la luce brilla sulle proteine, convertono i fotoni in elettroni e li passano all'elettrodo.

“È un meccanismo simile a quello che accade quando le piante assorbono la luce, tranne che in quel caso l'elettrone viene utilizzato per qualche chimica che crea energia per la pianta, ” ha detto Bonnell. “In questo caso, vogliamo usare l'elettrone nei circuiti elettrici”.

Assemblee di peptidi simili erano state studiate in soluzione in precedenza da diversi gruppi ed erano state testate per dimostrare che reagivano effettivamente alla luce. Ma non c'era modo di quantificare le loro proprietà elettriche ambientali, in particolare capacità, la quantità di carica elettrica che l'insieme contiene.

“È necessario comprendere questo tipo di proprietà nelle molecole per poterne ricavare dispositivi. Studiamo il silicio da 40 anni, quindi sappiamo cosa succede agli elettroni lì, ” ha detto Bonnell. “Non sapevamo cosa succede agli elettroni su elettrodi asciutti con queste proteine; non sapevamo nemmeno se sarebbero rimasti fotoattivi quando attaccati a un elettrodo.

Progettare circuiti e dispositivi con il silicio è intrinsecamente più semplice che con le proteine. Le proprietà elettriche di un grosso pezzo di un singolo elemento possono essere misurate e poi ridimensionate, ma molecole complesse come queste proteine ​​non possono essere scalate. I sistemi diagnostici in grado di misurare le loro proprietà con una sensibilità nanometrica semplicemente non esistevano.

I ricercatori avevano quindi bisogno di inventare sia un nuovo modo di misurare queste proprietà sia un modo controllato di produrre le proteine ​​fotovoltaiche che assomigliessero a come potrebbero eventualmente essere incorporate in dispositivi all'aperto, ambienti quotidiani, piuttosto che nuotare in una soluzione chimica.

Per risolvere il primo problema, il team ha sviluppato un nuovo tipo di tecnica del microscopio a forza atomica, nota come microscopia a nanoimpedenza a risonanza torsionale. I microscopi a forza atomica funzionano portando una punta di silicio estremamente stretta molto vicino a una superficie e misurando come reagisce la punta, fornendo una sensibilità spaziale di pochi nanometri fino ai singoli atomi.

“Quello che abbiamo fatto nella nostra versione è stato usare una punta metallica e mettere su di essa un campo elettrico oscillante. Vedendo come gli elettroni reagiscono al campo, siamo in grado di misurare interazioni più complesse e proprietà più complesse, come capacità, ” ha detto Bonnell.

Il gruppo di Bohdana Discher ha progettato le proteine ​​autoassemblanti proprio come avevano fatto prima, ma ha compiuto il passo aggiuntivo di stamparle su fogli di elettrodi di grafite. Questo principio di fabbricazione e la capacità di misurare i dispositivi risultanti potrebbero avere una varietà di applicazioni.

"Il fotovoltaico, le celle solari, è forse il più facile da immaginare, ma dove questo lavoro sta andando a breve termine sono i sensori biochimici, ” ha detto Bonnell.

Invece di reagire ai fotoni, le proteine ​​potrebbero essere progettate per produrre una carica in presenza di determinate tossine, cambiando colore o fungendo da elemento di circuito in un gadget a misura d'uomo.