Cosa fanno le lucciole, nanobarre e luci di Natale hanno in comune? un giorno, i consumatori possono essere in grado di acquistare stringhe di luce multicolori che non hanno bisogno di elettricità o batterie per brillare. Gli scienziati del College of Arts and Sciences della Syracuse University hanno scoperto un nuovo modo per sfruttare la luce naturale prodotta dalle lucciole (chiamata bioluminescenza) usando la nanoscienza. La loro scoperta produce un sistema da 20 a 30 volte più efficiente di quelli prodotti durante gli esperimenti precedenti.
Riguarda le dimensioni e la struttura dell'usanza, nanotubi quantici, che vengono prodotti in laboratorio da Mathew Maye, assistente professore di chimica presso il College of Arts and Sciences della SU; e Rabeka Alam, un dottorato di ricerca in chimica candidato. Maye è anche membro del Syracuse Biomaterials Institute.
"La luce della lucciola è uno dei migliori esempi naturali di bioluminescenza, " Maye dice. "La luce è estremamente brillante ed efficiente. Abbiamo trovato un nuovo modo per sfruttare la biologia per applicazioni non biologiche manipolando l'interfaccia tra i componenti biologici e non biologici".
Il loro lavoro, "Progettazione di canne quantiche per un trasferimento di energia ottimizzato con gli enzimi della luciferasi Firefly, " è stato pubblicato online il 23 maggio in Nano lettere ed è in corso di stampa. Hanno collaborato alla ricerca il professor Bruce Branchini e Danielle Fontaine, entrambi dal Connecticut College.
Le lucciole producono luce attraverso una reazione chimica tra la luciferina e la sua controparte, l'enzima luciferasi. Nel laboratorio di Maye, l'enzima è attaccato alla superficie del nanorod; luciferina, che si aggiunge in seguito, funge da combustibile. L'energia che viene rilasciata quando il carburante e l'enzima interagiscono viene trasferita ai nanotubi, facendoli risplendere. Il processo è chiamato Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET).
"Il trucco per aumentare l'efficienza del sistema è ridurre la distanza tra l'enzima e la superficie dell'asta e ottimizzare l'architettura dell'asta, " Maye dice. "Abbiamo progettato un modo per attaccare chimicamente enzimi luciferasi geneticamente manipolati direttamente alla superficie del nanorod." I collaboratori di Maye al Connecticut College hanno fornito l'enzima luciferasi geneticamente manipolato.
Le nanobarre sono composte da un guscio esterno di solfuro di cadmio e un nucleo interno di seleneide di cadmio. Entrambi sono metalli semiconduttori. Manipolando la dimensione del nucleo, e la lunghezza dell'asta, altera il colore della luce prodotta. I colori prodotti in laboratorio non sono possibili per le lucciole. I nanotubi di Maye brillano di verde, arancione e rosso. Le lucciole emettono naturalmente un bagliore giallastro. L'efficienza del sistema è misurata su una scala BRET. I ricercatori hanno scoperto che le loro aste più efficienti (scala BRET di 44) si sono verificate per una speciale architettura dell'asta (chiamata asta-in-asta) che emetteva luce nella gamma della luce del vicino infrarosso. La luce infrarossa ha lunghezze d'onda più lunghe della luce visibile ed è invisibile all'occhio. L'illuminazione a infrarossi è importante per cose come occhiali per la visione notturna, telescopi, fotocamere e imaging medico.
Le nanobarre coniugate con la lucciola di Maye e Alam attualmente esistono solo nel loro laboratorio di chimica. Sono in corso ulteriori ricerche per sviluppare metodi per sostenere la reazione chimica e il trasferimento di energia per periodi di tempo più lunghi e per "scalare" il sistema. Maye crede che il sistema sia la più promettente per le future tecnologie che convertiranno l'energia chimica direttamente in luce; però, l'idea di nanotubi luminosi che sostituiscono le luci a LED non è roba da fantascienza.
"I nanorod sono fatti degli stessi materiali usati nei chip dei computer, pannelli solari e luci a led, "Dice Maye. "È concepibile che un giorno i nanotubi rivestiti di lucciola possano essere inseriti in luci di tipo LED che non è necessario collegare".
