Quantum dots (QDs) är halvledande nanokristaller uppskattade för sina optiska och elektroniska egenskaper. Det lysande, rena färger som produceras av QD:er när de stimuleras med ultraviolett ljus är idealiska för användning på plattskärmar, medicinsk bildbehandling, solpaneler och lysdioder. Ett hinder för massproduktion och utbredd användning av dessa underpartiklar är svårigheten och kostnaden förknippade med nuvarande kemiska tillverkningsmetoder som ofta kräver värme, högt tryck och giftiga lösningsmedel.

Men nu har tre ingenjörer från Lehigh University framgångsrikt demonstrerat den första exakt kontrollerade, biologiskt sätt att tillverka kvantprickar med ett enkelenzym, banar väg för en betydligt snabbare, billigare och grönare produktionsmetod.

Lehigh -teamet - Bryan Berger, Klass 1961 docent, Kemisk och biomolekylär teknik; Chris Kiely, Harold B. Chambers Senior Professor, Materialvetenskap och teknik och Steven McIntosh, Klass 1961 docent, Kemisk och biomolekylär teknik, tillsammans med doktorand kandidaten Li Lu och grundutbildningen Robert Dunleavy - har detaljerat sina resultat i en artikel som heter "Single Enzyme Biomineralization of Cadmium Sulfide Nanocrystals with Controlled Optical Properties" publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Det fina med ett biologiskt tillvägagångssätt är att det minskar produktionsbehovet, miljöbelastning och produktionstid ganska mycket, säger Berger.

I juli förra året, lagets arbete presenterades på omslaget till Grön kemi beskriver deras användning av "riktad utveckling" för att förändra en bakteriestam som kallas Stenotophomonas maltophilia för att selektivt producera kadmiumsulfid -QD. Eftersom de upptäckte att ett enda enzym som produceras av bakterierna är ansvarigt för QD -generering, den cellbaserade produktionsvägen skrotades helt. Kadmiumsulfid QD, som de nu har visat i PNAS -artikeln, kan genereras med samma enzym syntetiserat från andra lättanpassade bakterier såsom E. coli.

"Vi har utvecklat enzymet utöver vad naturen avsåg, säger Berger, konstruera den för att inte bara göra kristallstrukturen för QD:erna, men kontrollera deras storlek. Resultatet är förmågan att på ett enhetligt sätt producera kvantprickar som avger vilken färg de än väljer - den egenskap som gör detta material attraktivt för många applikationer.

Industriella processer tar många timmar att odla nanokristaller, som sedan måste genomgå ytterligare bearbetnings- och reningssteg. Biosyntes, å andra sidan, tar minuter till några timmar maximalt för att göra hela utbudet av kvantpunktsstorlekar (cirka 2 till 3 nanometer) i en kontinuerlig, miljövänlig process vid omgivande förhållanden i vatten som inte behöver några efterbehandlingssteg för att skörda finalen, vattenlöslig produkt.

För att göra metoden perfekt för att strukturellt analysera enskilda nanopartiklar krävs ett mycket sofistikerat elektronmikroskop för skanningstransmission (STEM). Lehighs elektronmikroskopi och nanofabrikationsanläggning kunde tillhandahålla ett toppmodernt instrument på 4,5 miljoner dollar som gjorde det möjligt för forskarna att undersöka strukturen och sammansättningen av varje QD, som bara består av tiotals till hundratals atomer.

"Även med detta nya mikroskop, vi skjuter gränserna för vad som kan göras, säger Kiely.

Instrumentet skannar en ultrafin elektronstråle över ett QD-fält. Atomerna sprider elektronerna i strålen, producera en slags skuggbild på en fluorescerande skärm, besläktat med hur ett föremål som blockerar ljus ger en skugga på väggen. En digitalkamera registrerar nanokristallens förstorade atomupplösning för analys.

Teamet är redo att skala upp sin laboratoriesuccé till ett tillverkande företag som tillverkar billiga QD på ett miljövänligt sätt. Konventionell kemisk tillverkning kostar $ 1, 000 till $ 10, 000 per gram. En biotillverkningsteknik kan eventuellt sänka priset med minst en faktor 10, och teamet uppskattar avkastningen i storleksordningen gram per liter från varje satsodling, säger McIntosh.

Med en lång vy, de tre kollegorna hoppas att deras metod kommer att leda till en uppsjö av framtida QD -applikationer, som grönare tillverkning av metanol, ett miljövänligt bränsle som kan användas till bilar, värmeapparater och elproduktion. Vattenrening och metallåtervinning är två andra möjliga användningsområden för denna teknik.

"Vi vill skapa många olika typer av funktionella material och göra storskaliga funktionella material samt individuella kvantpunkter, säger McIntosh.

Han föreställer sig att utveckla en process genom vilken enskilda kvantprickar ordnar sig i makrostrukturer, hur naturen odlar ett blötdjurskal från enskilda oorganiska nanopartiklar eller människor odlar konstgjord vävnad i ett labb.

"Om vi ​​kan göra mer av materialet och kontrollera hur det är uppbyggt samtidigt som vi behåller sin kärnfunktion, vi kan eventuellt få en solcell att montera sig med kvantprickar. "