Químicos do College of Arts and Sciences da Syracuse University fizeram um avanço transformacional em uma fonte de iluminação alternativa - que não requer bateria ou plugue.

Professor Associado Mathew Maye e uma equipe de pesquisadores de Syracuse, junto com colaboradores do Connecticut College, demonstraram recentemente transferência de energia de alta eficiência entre hastes quânticas semicondutoras e enzimas luciferase. Bastonetes quânticos e enzimas luciferase são nanomateriais e biomateriais, respectivamente. Quando combinados corretamente, esses materiais produzem bioluminescência - exceto, em vez de vir de um biomaterial, como uma enzima do vaga-lume, a luz emina de um nanomaterial, e é verde, laranja, vermelho, ou infravermelho próximo.

"Pense em nosso sistema como um projeto de design, "Maye diz." Nosso objetivo é construir um nanobiossistema versátil o suficiente para nos ensinar muito, ao mesmo tempo que nos permite superar desafios significativos no campo e ter aplicações práticas. O projeto envolve materiais de nossos laboratórios de química e biologia, bem como várias ferramentas de nanociência e automontagem. É um verdadeiro esforço de equipe com múltiplas colaborações. "

Maye ilustra seu ponto referindo-se a bastonetes quânticos, cada um dos quais tem quatro nanômetros de largura e 50 nanômetros de comprimento. (Um nanômetro equivale a 1 bilionésimo de um metro.) "As hastes foram sintetizadas quimicamente com incrível precisão, "diz ele." Para obter as melhores informações, percebemos que precisávamos de pelo menos dois tipos diferentes de hastes, cada um com três variações sinteticamente ajustadas, e até 10 condições de montagem diferentes. "

Ter uma ampla gama de variáveis ​​permitiu que Maye e sua equipe aprendessem mais sobre a ciência da transferência de energia da nanobiologia.

Antes de se tornar um pós-doutorado na Universidade de Notre Dame, Rabeka Alam G'13 liderou o projeto em Syracuse como um Ph.D. estudante. Ela diz que este trabalho ilumina um tipo especial de interação conhecido como transferência de energia de ressonância de bioluminescência (BRET). "Na nanociência, um ponto quântico ou bastão é tipicamente um doador de energia, "ela diz." No nosso caso, a energia veio da luciferase bioluminescente. "

Com BRET, a enzima está ligada à superfície da haste. Luciferina é adicionada, e atua como uma espécie de combustível. Quando a enzima e o combustível interagem, eles liberam uma energia que é transferida para a haste, fazendo com que brilhe.

"O truque para aumentar a eficiência [de BRET] é encontrar a combinação correta doador-aceitador, que requer diferentes bastonetes e enzimas, "diz Liliana Karam, um Ph.D. em Syracuse aluno que atualmente lidera o projeto. "Graças aos nossos colegas do Connecticut College, temos enzimas geneticamente manipuladas de várias cores que são anexadas aos bastões, que, por sua vez, são preparados em nosso laboratório em Syracuse. "

Maye diz que as hastes quânticas são compostas de elementos semicondutores - especificamente, uma camada externa de sulfeto de cádmio e um núcleo interno de seleneto de cádmio. Ao manipular o tamanho e a forma do núcleo, o comprimento da haste, e a forma como as enzimas são anexadas e empacotadas na superfície da haste, os pesquisadores são capazes de alterar a cor e a intensidade da luz emitida, demonstrando assim a eficiência geral do processo.

Postodc Tennyson Doane, um membro sênior do Grupo de Pesquisa Maye, diz que um dos avanços do projeto envolve um tipo especial de haste conhecido como "haste em haste". O grupo tem levantado a hipótese de por que essa haste em particular resulta em ganhos de alta eficiência.

"Quando você tem um núcleo em forma de haste, a fluorescência resultante é polarizada, o que significa que a luz circular entra, e a luz linearmente polarizada sai, "diz Doane, acrescentando que a forma do material torna o BRET mais eficiente. "Nós acreditamos nisso, quando alinhado corretamente com o estado excitado com luciferase, a haste experimenta ganhos de eficiência que de outra forma não seriam testemunhados em um nanossistema auto-montado. O controle da localização da enzima e da polarização da bioluminescência pode, um dia, levam a novos interruptores de luz, "em que apenas certas enzimas em torno da haste quântica são capazes de interagir via BRET."

Maye chama isso de "usar a biologia para aplicações não biológicas".

"Nossos nanobastões são feitos dos mesmos materiais usados ​​em chips de computador, painéis solares, e luzes LED [diodo emissor de luz]. No momento, nosso sistema funciona melhor na faixa do vermelho ao infravermelho próximo, que tem comprimentos de onda mais longos do que a luz visível, e é invisível aos olhos, " ele diz, aludindo aos óculos de visão noturna, imagens médicas, e rápida detecção microbiana. "Nosso trabalho está com patente pendente em Syracuse. Talvez, um dia teremos nanobastões cobertos de vaga-lumes que podem ser inseridos em luzes LED e não requerem um plugue. "

As descobertas são o assunto de um artigo recente em ACS Nano .