Ispirato da cyborg immaginari come Terminator, un team di ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Università di Pittsburgh ha realizzato le prime particelle bioniche da semiconduttori e proteine.

Queste particelle ricreano il cuore del processo che consente alle piante di trasformare la luce solare in combustibile.

"Gli sforzi umani per trasformare l'energia della luce solare in biocarburanti utilizzando materiali artificiali o interi organismi hanno una bassa efficienza, " ha detto Nicholas Kotov, il Florence B. Cejka Professore di Ingegneria presso l'Università del Michigan, che ha condotto l'esperimento.

Un approccio bionico potrebbe cambiarlo.

Le particelle bioniche uniscono i punti di forza dei materiali inorganici, che può facilmente convertire l'energia luminosa in energia elettronica, con molecole biologiche le cui funzioni chimiche sono state altamente sviluppate attraverso l'evoluzione.

Il team ha prima progettato le particelle per combinare tellururo di cadmio, un semiconduttore comunemente usato nelle celle solari, con citocromo C, una proteina utilizzata dalle piante per trasportare gli elettroni nella fotosintesi. Con questa combinazione, il semiconduttore può trasformare un raggio del sole in un elettrone, e il citocromo C può allontanare quell'elettrone per utilizzarlo in reazioni chimiche che potrebbero ripulire l'inquinamento o produrre carburante, ad esempio.

Per guidare le reazioni, le molecole del citocromo C e le nanoparticelle di tellururo di cadmio devono scambiare elettroni. Questo processo sarebbe più efficiente se i componenti fossero collegati, quindi il team ha progettato un processo che avrebbe permesso loro di autoassemblarsi in superparticelle.

Sharon Glotzer degli UM, lo Stuart W. Churchill Professore di Ingegneria Chimica, chi ha condotto le simulazioni, confronta l'autoassemblaggio con il modo in cui si formano le superfici delle cellule viventi, usando forze attrattive che sono forti su piccola scala ma si indeboliscono man mano che la struttura cresce. Il gruppo di Kotov ha confermato che le particelle e le proteine ​​dei semiconduttori si assemblano naturalmente in particelle più grandi, circa 100 nanometri (0,0001 millimetri) di diametro.

Il team si è basato su questa formula per la loro reazione di prova. Hanno trasformato il nitrato inquinante in nitrito e ossigeno, dimostrando che le particelle bioniche potrebbero sfruttare la luce solare per guidare le reazioni chimiche. Per questo processo, il semiconduttore e il citocromo C avevano bisogno dell'aiuto di altri enzimi, che il team ha incorporato nelle superparticelle.

"Abbiamo unito biologico e inorganico in un modo che sfrutta gli attributi di entrambi per ottenere qualcosa di meglio di entrambi da soli, " ha detto Glotzer.

Alimentato da elettroni dal citocromo C, l'enzima potrebbe rimuovere l'ossigeno dalle molecole di nitrato.

Come le strutture che realizzano la fotosintesi nelle piante, le particelle bioniche subirono un duro colpo maneggiando l'energia. La natura rinnova costantemente queste parti lavorative nelle piante, e attraverso l'autoassemblaggio, le particelle possono anche essere in grado di rinnovarsi.

Kotov ha affermato che potrebbero potenzialmente funzionare in un ciclo che consente alle particelle di riassemblarsi dopo l'usura con l'uso. Ha spiegato che l'autoassemblaggio si verifica perché i due tipi di elementi costitutivi hanno dimensioni e carica simili.

"Se le nanoparticelle inorganiche sono troppo piccole non si assemblano. Troppo grandi, e svelano le proteine, " ha detto. "E, se le nanoparticelle e le proteine ​​hanno cariche opposte, formano grossi grumi e cadono dalla soluzione."

Glotzer ha detto che ora che hanno capito come funziona il fenomeno dell'assemblaggio, "Possiamo trovare principi di progettazione sia per ottimizzare le condizioni sia per estendere i nostri risultati ad altri tipi di sistemi di nanoparticelle-proteine".

Uno degli obiettivi è la conversione dell'anidride carbonica e dell'acqua in gas naturale, che consentirebbe a gran parte dell'attuale infrastruttura energetica di continuare a funzionare senza emissioni nette di carbonio. Ma il team considera più di semplici applicazioni di fotosintesi artificiale.

"Questi principi di progettazione possono essere utilizzati per guidare i progetti futuri per altri sistemi bionici, a partire dai mattoni primari degli organismi biologici e delle macchine inorganiche, " ha detto Kotov. "E 'molto probabile che il Terminator del futuro dovrebbe essere costruito a partire da tali elementi costitutivi."