Vad gör eldflugor, nanorods och julbelysning har gemensamt? Någon dag, konsumenter kanske kan köpa flerfärgade ljusslingor som inte behöver elektricitet eller batterier för att glöda. Forskare vid Syracuse University College of Arts and Sciences fann ett nytt sätt att utnyttja det naturliga ljuset som produceras av eldflugor (kallad bioluminescens) med hjälp av nanovetenskap. Deras genombrott ger ett system som är 20 till 30 gånger effektivare än de som producerats under tidigare experiment.
Det handlar om storleken och strukturen på anpassningen, kvant nanorods, som produceras i laboratoriet av Mathew Maye, biträdande professor i kemi vid SU:s Vetenskapshögskola; och Rabeka Alam, en kemi doktorsexamen kandidat. Maye är också medlem i Syracuse Biomaterials Institute.
"Eldflugeljus är ett av naturens bästa exempel på bioluminescens, " säger Maye. "Ljuset är extremt starkt och effektivt. Vi har hittat ett nytt sätt att utnyttja biologi för icke -biologiska tillämpningar genom att manipulera gränssnittet mellan de biologiska och icke -biologiska komponenterna. "
Deras arbete, "Designa Quantum Stavar för optimerad energiöverföring med Firefly Luciferase Enzymes, "publicerades online den 23 maj Nanobokstäver och kommer i tryck. Professor Bruce Branchini och Danielle Fontaine samarbetade i forskningen, båda från Connecticut College.
Eldflugor producerar ljus genom en kemisk reaktion mellan luciferin och dess motsvarighet, enzymet luciferas. I Mayes laboratorium, enzymet är fäst vid nanorods yta; luciferin, som läggs till senare, fungerar som bränsle. Energin som frigörs när bränslet och enzymet interagerar överförs till nanoroderna, får dem att glöda. Processen kallas Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET).
"Knepet för att öka effektiviteten i systemet är att minska avståndet mellan enzymet och ytan på staven och att optimera stavens arkitektur, " säger Maye. "Vi designade ett sätt att kemiskt fästa genetiskt manipulerade luciferasenzymer direkt till ytan av nanorod." Mayes medarbetare vid Connecticut College gav det genetiskt manipulerade luciferasenzymet.
Nanoroderna är sammansatta av ett yttre skal av kadmiumsulfid och en inre kärna av kadmiumselenid. Båda är halvledarmetaller. Manipulera storleken på kärnan, och stavens längd, ändrar färgen på ljuset som produceras. Färgerna som produceras i laboratoriet är inte möjliga för eldflugor. Mayes nanorods lyser grönt, orange och röd. Eldflugor avger naturligtvis ett gulaktigt sken. Systemets effektivitet mäts på en BRET-skala. Forskarna fann att deras mest effektiva stavar (BRET-skala 44) inträffade för en speciell stavarkitektur (kallad rod-in-rod) som avgav ljus i det nära infraröda ljusområdet. Infrarött ljus har längre våglängder än synligt ljus och är osynligt för ögat. Infraröd belysning är viktigt för sådant som mörkerseende, teleskop, kameror och medicinsk bildbehandling.
Mayes och Alams eldflugekonjugerade nanorods existerar för närvarande bara i deras kemilaboratorier. Ytterligare forskning pågår för att utveckla metoder för att upprätthålla den kemiska reaktionen - och energiöverföringen - under längre tidsperioder och för att "skala upp" systemet. Maye tror att systemet har det mest löfte för framtida teknologier som kommer att omvandla kemisk energi direkt till ljus; dock, tanken på att glödande nanoroder ersätter LED -lampor är inte science fiction.
"Nanostavarna är gjorda av samma material som används i datorchips, solpaneler och LED -lampor, " säger Maye. "Det är tänkbart att en dag kan eldflugebelagda nanorods sättas in i LED-lampor som du inte behöver koppla in."
