I punti quantici (QD) sono nanocristalli semiconduttori apprezzati per le loro proprietà ottiche ed elettroniche. Il brillante, i colori puri prodotti da QD quando stimolati con luce ultravioletta sono ideali per l'uso in schermi piatti, dispositivi di imaging medico, pannelli solari e led. Un ostacolo alla produzione di massa e all'uso diffuso di queste meravigliose particelle è la difficoltà e la spesa associate agli attuali metodi di produzione chimica che spesso richiedono calore, alta pressione e solventi tossici.

Ma ora tre ingegneri della Lehigh University hanno dimostrato con successo il primo controllo preciso, modo biologico per produrre punti quantici utilizzando un singolo enzima, aprendo la strada a un sistema notevolmente più rapido, metodo di produzione più economico ed ecologico.

Il team di Lehigh:Bryan Berger, Classe 1961 Professore Associato, Ingegneria chimica e biomolecolare; Chris Kiely, Professore senior di Harold B. Chambers, Scienza e ingegneria dei materiali e Steven McIntosh, Classe 1961 Professore Associato, Ingegneria chimica e biomolecolare, insieme al dottorato il candidato Li Lu e lo studente universitario Robert Dunleavy, hanno dettagliato le loro scoperte in un articolo intitolato "Single Enzyme Biomineraization of Cadmium Sulfide Nanocrystals with Controlled Optical Properties" pubblicato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Il bello di un approccio biologico è che riduce le esigenze di produzione, carico ambientale e tempi di produzione abbastanza elevati, "dice Berger.

Nel luglio dello scorso anno, il lavoro del team è apparso sulla copertina di chimica verde descrivendo il loro uso di "evoluzione diretta" per alterare un ceppo batterico chiamato Stenotophomonas maltophilia per produrre selettivamente QD di solfuro di cadmio. Poiché hanno scoperto che un singolo enzima prodotto dai batteri è responsabile della generazione di QD, il percorso di produzione basato su celle è stato completamente eliminato. Il solfuro di cadmio QD, come hanno ora mostrato nell'articolo PNAS, può essere generato con lo stesso enzima sintetizzato da altri batteri facilmente ingegnerizzati come E. coli.

"Abbiamo evoluto l'enzima oltre ciò che la natura intendeva, "dice Berger, ingegnerizzandolo non solo per realizzare la struttura cristallina dei QD, ma controlla le loro dimensioni. Il risultato è la capacità di produrre uniformemente punti quantici che emettono qualsiasi colore particolare scelto, la caratteristica che rende questo materiale attraente per molte applicazioni.

I processi industriali impiegano molte ore per far crescere i nanocristalli, che poi necessitano di ulteriori fasi di lavorazione e purificazione. Biosintesi, d'altra parte, richiede da pochi minuti ad alcune ore al massimo per realizzare l'intera gamma di dimensioni dei punti quantici (da circa 2 a 3 nanometri) in modo continuo, processo ecologico a condizioni ambientali in acqua che non richiede passaggi di post-elaborazione per raccogliere il finale, prodotto idrosolubile.

Il perfezionamento della metodologia per analizzare strutturalmente le singole nanoparticelle ha richiesto un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM) altamente sofisticato. La struttura di microscopia elettronica e nanofabbricazione di Lehigh è stata in grado di fornire uno strumento all'avanguardia da 4,5 milioni di dollari che ha permesso ai ricercatori di esaminare la struttura e la composizione di ciascun QD, che è composto solo da decine a centinaia di atomi.

"Anche con questo nuovo microscopio, stiamo spingendo i limiti di ciò che può essere fatto, "dice Kiely.

Lo strumento esegue la scansione di un fascio di elettroni ultrasottile attraverso un campo di QD. Gli atomi disperdono gli elettroni nel raggio, producendo una sorta di immagine ombra su uno schermo fluorescente, simile al modo in cui un oggetto che blocca la luce produce un'ombra sul muro. Una fotocamera digitale registra l'immagine a risoluzione atomica altamente ingrandita del nanocristallo per l'analisi.

Il team è pronto a trasformare il suo successo di laboratorio in un'impresa manifatturiera che produce QD economici in modo ecologico. La produzione chimica convenzionale costa $ 1, 000 a $ 10, 000 per grammo. Una tecnica di bioproduzione potrebbe potenzialmente ridurre il prezzo di almeno un fattore 10, e il team stima le rese nell'ordine dei grammi per litro da ciascuna coltura batch, dice McIntosh.

Guardando a lungo, i tre colleghi sperano che il loro metodo porti a una pletora di future applicazioni QD, come la produzione più ecologica di metanolo, un carburante ecologico che potrebbe essere utilizzato per le auto, apparecchi di riscaldamento e produzione di energia elettrica. La depurazione dell'acqua e il riciclaggio dei metalli sono altri due possibili utilizzi di questa tecnologia.

"Vogliamo creare molti tipi diversi di materiali funzionali e realizzare materiali funzionali su larga scala e singoli punti quantici, " dice McIntosh.

Immagina di sviluppare un processo mediante il quale i singoli punti quantici si organizzano in macrostrutture, il modo in cui la natura fa crescere un guscio di mollusco da singole nanoparticelle inorganiche o gli esseri umani coltivano tessuti artificiali in un laboratorio.

"Se siamo in grado di produrre più materiale e controllare come è strutturato mantenendo la sua funzionalità principale, potremmo potenzialmente ottenere una cella solare per assemblarsi con punti quantici".