Ett team av ingenjörer från Lehigh University har demonstrerat en bakteriell metod för lågkostnaden, miljövänlig syntes av nanokristaller i vattenlöslig quantum dot (QD) vid rumstemperatur.

Huvudforskare Steven McIntosh, Bryan Berger och Christopher Kiely, tillsammans med ett team av kemiteknik, bioingenjör, och materialvetenskapsstudenter presenterar detta nya tillvägagångssätt för den reproducerbara biosyntesen av extracellulär, vattenlösliga QD:er i tidningen 1 juli Grön kemi . Detta är det första exemplet på ingenjörer som utnyttjar naturens unika förmåga att uppnå kostnadseffektiv och skalbar tillverkning av QD med hjälp av en bakteriell process.

Med en konstruerad stam av Stenotrophomonas maltophilia för att kontrollera partikelstorlek, teamet biosyntetiserade QD med bakterier och kadmiumsulfid för att ge en väg till låg kostnad, skalbar och grön syntes av CdS -nanokrystaller med extrinsisk kristallitstorlekskontroll i kvantbegränsningsområdet. Lösningen ger extracellulär, vattenlösliga kvantpunkter från billiga prekursorer vid omgivningstemperaturer och tryck. Resultatet är CdS halvledar nanokristaller med tillhörande storleksberoende bandgap och fotoluminescerande egenskaper.

Detta biosyntetiska tillvägagångssätt ger en livskraftig väg att förverkliga löftet om grön biotillverkning av dessa material. Lehigh -teamet presenterade denna process nyligen för en nationell utställning av investerare och industriella partners vid TechConnect 2015 World Innovation Conference och National Innovation Showcase i Washington, D.C. 14-17 juni.

"Biosyntetiska QD:er möjliggör utveckling av ett miljövänligt, bioinspirerad process till skillnad från nuvarande metoder som är beroende av höga temperaturer, tryck, giftiga lösningsmedel och dyra prekursorer, "Berger säger." Vi har utvecklat en unik, "grönt" tillvägagångssätt som avsevärt minskar både kostnad och miljöpåverkan. "

Kvantprickar, som har användning i olika tillämpningar såsom medicinsk bildbehandling, belysning, displayteknik, solceller, fotokatalysatorer, förnybar energi och optoelektronik, är vanligtvis dyra och komplicerade att tillverka. Särskilt, nuvarande kemiska syntesmetoder använder höga temperaturer och giftiga lösningsmedel, som gör miljösanering dyr och utmanande.

Denna nyligen beskrivna process möjliggör tillverkning av kvantprickar med en miljövänlig process och till en bråkdel av kostnaden. Medan konventionella produktionstekniker för närvarande kostar $ 1, 000- $ 10, 000 per gram, biotillverkningstekniken minskar som kostar cirka $ 1- $ 10 per gram. Den avsevärda kostnadsminskningen möjliggör möjligen storskalig produktion av QD som är livskraftiga för användning i kommersiella applikationer.

"Vi uppskattar avkastningen i storleksordningen gram per liter från batchkulturer under optimerade förhållanden, och kan reproducera ett brett storleksintervall av CdS QD, sa Steven McIntosh.

Forskningen finansieras av National Science Foundation's Division of Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI -bidrag nr 1332349) och bygger på framgångarna med den initiala finansieringen, tillhandahålls av Lehighs Faculty Innovation Grant (FIG) och Collaborative Research Opportunity Grant (CORE) -program.

Lehigh -forskargruppen undersöker också, genom NSF:s EFRI -avdelning, utvidgningen av detta arbete till att omfatta ett brett utbud av andra funktionella material. Funktionella material är de med kontrollerad sammansättning, storlek, och struktur för att underlätta önskade interaktioner med ljus, elektriska eller magnetiska fält, eller kemisk miljö för att ge unik funktionalitet i ett brett spektrum av applikationer från energi till medicin.

McIntosh sa, "Även om biosyntes av strukturmaterial är relativt väletablerat, att utnyttja naturen för att skapa funktionella oorganiska material kommer att vara en väg till en framtida miljövänlig biotillverkningsbaserad ekonomi. Vi tror att detta arbete är det första steget på denna väg. "