Inspirerad av fiktiva cyborgs som Terminator, ett team av forskare vid University of Michigan och University of Pittsburgh har gjort de första bioniska partiklarna från halvledare och proteiner.

Dessa partiklar återskapar hjärtat av processen som gör att växter kan förvandla solljus till bränsle.

"Människans strävanden att omvandla energin från solljus till biobränslen genom att använda antingen konstgjorda material eller hela organismer har låg effektivitet, "sade Nicholas Kotov, Florence B. Cejka professor i teknik vid University of Michigan, som ledde experimentet.

Ett bioniskt tillvägagångssätt kan förändra det.

De bioniska partiklarna blandar styrkorna hos oorganiska material, som lätt kan omvandla ljusenergi till elektronenergi, med biologiska molekyler vars kemiska funktioner har utvecklats högt genom evolutionen.

Teamet designade först partiklarna för att kombinera kadmiumtellurid, en halvledare som vanligtvis används i solceller, med cytokrom C, ett protein som används av växter för att transportera elektroner i fotosyntesen. Med denna kombination, halvledaren kan förvandla en stråle från solen till en elektron, och cytokrom C kan dra bort den elektronen för användning i kemiska reaktioner som kan rensa upp föroreningar eller producera bränsle, till exempel.

För att driva reaktioner, molekylerna av cytokrom C och nanopartiklar av kadmiumtellurid måste utbyta elektroner. Denna process skulle vara mest effektiv om komponenterna var anslutna, så teamet designade en process som skulle göra det möjligt för dem att själva montera ihop till superpartiklar.

U-M:s Sharon Glotzer, Stuart W. Churchill professor i kemiteknik, vem ledde simuleringarna, jämför självmonteringen med hur ytorna på levande celler bildas, med attraherande krafter som är starka i små skalor men försvagas när strukturen växer. Kotovs grupp bekräftade att halvledarpartiklarna och proteinerna naturligt sätts samman till större partiklar, ungefär 100 nanometer (0,0001 millimeter) i diameter.

Teamet byggde på denna formel för sin testreaktion. De förvandlade föroreningen nitrat till nitrit och syre, visar att de bioniska partiklarna kan utnyttja solljuset för att driva kemiska reaktioner. För denna process, halvledaren och cytokrom C behövde hjälp från andra enzymer, som laget införlivade i superpartiklarna.

"Vi slog samman biologiska och oorganiska på ett sätt som utnyttjar bådas egenskaper för att få något bättre än var och en ensam, sa Glotzer.

Drivs av elektroner från cytokrom C, enzymet kunde ta bort syre från nitratmolekyler.

Liksom strukturerna som åstadkommer fotosyntes i växter, de bioniska partiklarna tog stryk av att hantera energin. Naturen förnyar ständigt dessa fungerande delar i växter, och genom självmontering, partiklarna kanske också kan förnya sig.

Kotov sa att de potentiellt skulle kunna arbeta i en cykel som gjorde att partiklarna fick tid att återmontera efter att de slitits ner med användning. Han förklarade att självmonteringen sker eftersom de två typerna av byggstenar är av liknande storlek och laddning.

"Om de oorganiska nanopartiklarna är för små kommer de inte att samlas. För stora, och de reder ut proteinerna, " sa han. "Och, om nanopartiklar och proteiner har motsatta laddningar, de bildar stora klumpar och faller ur lösningen. "

Glotzer sa att nu när de förstår hur monteringsfenomenen fungerar, "vi kan hitta designprinciper både för att optimera förhållandena och för att utvidga våra resultat till andra typer av nanopartikelproteinsystem."

Ett mål är att omvandla koldioxid och vatten till naturgas, vilket skulle tillåta en stor del av den nuvarande energiinfrastrukturen att fortsätta arbeta utan nettoutsläpp av koldioxid. Men teamet överväger mer än bara konstgjorda fotosyntesapplikationer.

"Dessa designprinciper kan användas för att vägleda framtida konstruktioner för andra bioniska system, utgående från de primära byggstenarna i biologiska organismer och oorganiska maskiner, " sade Kotov. "Det är mycket möjligt att Terminator of the future skulle behöva konstrueras med utgångspunkt från sådana byggstenar."