Os pontos quânticos (QDs) são nanocristais semicondutores valorizados por suas propriedades ópticas e eletrônicas. O brilhante, cores puras produzidas por QDs quando estimuladas com luz ultravioleta são ideais para uso em monitores de tela plana, dispositivos de imagens médicas, painéis solares e LEDs. Um obstáculo à produção em massa e ao uso generalizado dessas partículas maravilhosas é a dificuldade e as despesas associadas aos métodos de fabricação de produtos químicos atuais que muitas vezes requerem calor, solventes de alta pressão e tóxicos.

Mas agora três engenheiros da Lehigh University demonstraram com sucesso o primeiro controlado com precisão, maneira biológica de fabricar pontos quânticos usando uma única enzima, pavimentando o caminho para um processo significativamente mais rápido, método de produção mais barato e mais verde.

A equipe Lehigh - Bryan Berger, Professor Associado da Turma de 1961, Engenharia Química e Biomolecular; Chris Kiely, Harold B. Chambers Professor Sênior, Ciência e Engenharia de Materiais e Steven McIntosh, Professor Associado da Turma de 1961, Engenharia Química e Biomolecular, junto com Ph.D. o candidato Li Lu e o estudante de graduação Robert Dunleavy - detalharam suas descobertas em um artigo chamado "Biomineralização de enzima única de nanocristais de sulfeto de cádmio com propriedades ópticas controladas", publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences .

“A beleza de uma abordagem biológica é que ela reduz as necessidades de produção, carga ambiental e tempo de produção bastante, "diz Berger.

Em julho do ano passado, o trabalho da equipe foi destaque na capa da Química verde descrevendo o uso de "evolução dirigida" para alterar uma cepa bacteriana chamada Stenotophomonas maltophilia para produzir QDs de sulfeto de cádmio seletivamente. Porque eles descobriram que uma única enzima produzida pela bactéria é responsável pela geração de QD, a rota de produção baseada em células foi totalmente descartada. Os QDs de sulfeto de cádmio, como agora mostrado no artigo PNAS, pode ser gerado com a mesma enzima sintetizada a partir de outras bactérias facilmente modificadas, como E. coli.

"Nós desenvolvemos a enzima além do que a natureza pretendia, "diz Berger, engenharia para não apenas fazer a estrutura cristalina dos QDs, mas controle seu tamanho. O resultado é a capacidade de produzir pontos quânticos uniformemente que emitem qualquer cor específica que eles escolherem - a própria característica que torna esse material atraente para muitas aplicações.

Os processos industriais levam muitas horas para fazer crescer os nanocristais, que então precisam passar por etapas adicionais de processamento e purificação. Biossíntese, por outro lado, leva de minutos a algumas horas no máximo para fazer toda a gama de tamanhos de pontos quânticos (cerca de 2 a 3 nanômetros) em um contínuo, processo ambientalmente correto em condições ambientais na água que não precisa de etapas de pós-processamento para colher o final, produto solúvel em água.

Aperfeiçoar a metodologia para analisar estruturalmente nanopartículas individuais exigiu um Microscópio Eletrônico de Transmissão de Varredura (STEM) altamente sofisticado. A Instalação de Microscopia Eletrônica e Nanofabricação de Lehigh foi capaz de fornecer um instrumento de ponta de US $ 4,5 milhões que permitiu aos pesquisadores examinar a estrutura e composição de cada QD, que é composto apenas de dezenas a centenas de átomos.

"Mesmo com este novo microscópio, estamos empurrando os limites do que pode ser feito, "diz Kiely.

O instrumento faz a varredura de um feixe de elétrons ultrafino em um campo de QDs. Os átomos espalham os elétrons no feixe, produzindo uma espécie de imagem sombreada em uma tela fluorescente, semelhante à forma como um objeto que bloqueia a luz produz uma sombra na parede. Uma câmera digital grava a imagem de resolução atômica altamente ampliada do nanocristal para análise.

A equipe está posicionada para expandir seu sucesso de laboratório em uma empresa de manufatura que fabrica QDs baratos de uma maneira ecologicamente correta. A fabricação de produtos químicos convencionais custa US $ 1, 000 a $ 10, 000 por grama. Uma técnica de biofabricação pode reduzir o preço em pelo menos um fator de 10, e a equipe estima rendimentos na ordem de gramas por litro de cada cultura de lote, diz McIntosh.

Tendo uma visão de longo prazo, os três colegas esperam que seu método leve a uma infinidade de futuras aplicações QD, como a fabricação mais ecológica de metanol, um combustível ecológico que pode ser usado para carros, aparelhos de aquecimento e geração de eletricidade. A purificação da água e a reciclagem do metal são dois outros usos possíveis para esta tecnologia.

"Queremos criar muitos tipos diferentes de materiais funcionais e fazer materiais funcionais em grande escala, bem como pontos quânticos individuais, "diz McIntosh.

Ele imagina o desenvolvimento de um processo pelo qual os pontos quânticos individuais se organizam em macroestruturas, a forma como a natureza cria uma concha de molusco a partir de nanopartículas inorgânicas individuais ou como os humanos desenvolvem tecido artificial em um laboratório.

"Se conseguirmos fazer mais do material e controlar como ele é estruturado, mantendo sua funcionalidade principal, poderíamos potencialmente fazer com que uma célula solar se montasse com pontos quânticos. "