Un team di ingegneri della Lehigh University ha dimostrato un metodo batterico per il basso costo, sintesi ecocompatibile di nanocristalli di punti quantici (QD) solubili in acqua a temperatura ambiente.

Principali ricercatori Steven McIntosh, Bryan Berger e Christopher Kiely, insieme a un team di ingegneria chimica, bioingegneria, e gli studenti di scienze dei materiali presentano questo nuovo approccio per la biosintesi riproducibile di cellule extracellulari, QD idrosolubili nel numero del 1 luglio della rivista chimica verde . Questo è il primo esempio di ingegneri che sfruttano la capacità unica della natura di ottenere una produzione scalabile e conveniente di QD utilizzando un processo batterico.

Utilizzando un ceppo ingegnerizzato di Stenotrophomonas maltophilia per controllare la dimensione delle particelle, il team ha biosintetizzato QD utilizzando batteri e solfuro di cadmio per fornire un percorso a basso costo, sintesi scalabile e green di nanocristalli CdS con controllo della dimensione dei cristalliti estrinseci nell'intervallo di confinamento quantistico. La soluzione produce extracellulare, punti quantici solubili in acqua da precursori a basso costo a temperatura e pressione ambiente. Il risultato sono nanocristalli semiconduttori CdS con associati gap di banda dipendenti dalle dimensioni e proprietà fotoluminescenti.

Questo approccio biosintetico fornisce un percorso praticabile per realizzare la promessa della bioproduzione verde di questi materiali. Il team di Lehigh ha presentato di recente questo processo a una vetrina nazionale di investitori e partner industriali alla TechConnect 2015 World Innovation Conference e National Innovation Showcase a Washington, D.C. 14-17 giugno.

"I QD biosintetici consentiranno lo sviluppo di un sistema ecologico, processo bio-ispirato a differenza degli approcci attuali che si basano su alte temperature, pressioni, solventi tossici e costosi precursori, " dice Berger. "Abbiamo sviluppato un unico, approccio 'verde' che riduce sostanzialmente sia i costi che l'impatto ambientale."

punti quantici, che trovano impiego in diverse applicazioni come l'imaging medico, illuminazione, tecnologie di visualizzazione, celle solari, fotocatalizzatori, energie rinnovabili e optoelettronica, sono generalmente costosi e complicati da produrre. In particolare, gli attuali metodi di sintesi chimica utilizzano alte temperature e solventi tossici, che rendono la bonifica ambientale costosa e impegnativa.

Questo processo appena descritto consente la produzione di punti quantici utilizzando un processo rispettoso dell'ambiente e ad una frazione del costo. Mentre nelle tecniche di produzione convenzionali i QD attualmente costano $ 1, 000-$ 10, 000 per grammo, la tecnica di bioproduzione riduce il costo a circa $ 1- $ 10 per grammo. La sostanziale riduzione dei costi consente potenzialmente la produzione su larga scala di QD utilizzabili in applicazioni commerciali.

"Stimiamo le rese nell'ordine dei grammi per litro da colture batch in condizioni ottimizzate, e sono in grado di riprodurre un'ampia gamma di dimensioni di CdS QD, ", ha detto Steven McIntosh.

La ricerca è finanziata dalla Divisione delle frontiere emergenti nella ricerca e nell'innovazione della National Science Foundation (sovvenzione EFRI n. 1332349) e si basa sul successo del finanziamento iniziale, forniti dai programmi di Lehigh Faculty Innovation Grant (FIG) e Collaborative Research Opportunity Grant (CORE).

Il gruppo di ricerca Lehigh sta anche studiando, attraverso la divisione EFRI della NSF, l'espansione di questo lavoro per includere una vasta gamma di altri materiali funzionali. I materiali funzionali sono quelli a composizione controllata, dimensione, e struttura per facilitare le interazioni desiderate con la luce, campi elettrici o magnetici, o ambiente chimico per fornire funzionalità uniche in un'ampia gamma di applicazioni, dall'energia alla medicina.

McIntosh ha detto, "Mentre la biosintesi dei materiali strutturali è relativamente ben consolidata, sfruttare la natura per creare materiali inorganici funzionali fornirà un percorso verso una futura economia basata sulla bioproduzione rispettosa dell'ambiente. Crediamo che questo lavoro sia il primo passo di questo percorso".