Chemiker verwenden synthetisches Protein, um Quantenpunkte bei Raumtemperatur herzustellen

Forscher in den USA haben Quantenpunkte mithilfe biochemischer Reaktionen bei Raumtemperatur erzeugt, die durch ein synthetisches Protein katalysiert werden. Entwickelt von Lea Spangler, Michael Hecht und Kollegen an der Princeton University könnte die Technik zu nachhaltigeren Methoden zur Herstellung von Quantenpunkten im industriellen Maßstab führen.

Quantenpunkte sind Nanokristalle aus Halbleitermaterialien, die nützliche Quanteneigenschaften aufweisen, die zwischen denen von Massenmaterialien und einzelnen Atomen liegen. Mit spannenden Anwendungen wie Solarzellen, LED-Displays und Quantentechnologien ist die Erforschung von Quantenpunkten ein heißes Thema. Die Herstellung dieser winzigen Halbleiterstrukturen erfordert jedoch oft sowohl hohe Temperaturen als auch giftige Lösungsmittel – daher suchen Forscher nach Möglichkeiten, Quantenpunkte umweltfreundlicher herzustellen.

In der Studie untersuchte das Team, wie Quantenpunkte mit fein abgestimmten biochemischen Reaktionen hergestellt werden könnten, an denen ein Protein beteiligt ist, das in biologischen Systemen nicht natürlich vorkommt. Stattdessen wurde das Protein im Labor hergestellt, indem natürlich vorkommende Aminosäuren kombiniert wurden.

Metalle sicher machen

Dieses Protein heißt Construct K (ConK) und wurde erstmals 2016 synthetisiert. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass ConK dies zulässt Und Coli Bakterien überleben toxische Konzentrationen von Kupfer. Obwohl die chemischen Mechanismen, die das Überleben von Bakterien fördern, noch nicht vollständig verstanden sind, vermuten Wissenschaftler, dass es sich um Katalyseprozesse handelt, die dazu führen, dass sich Metallatome an Moleküle binden – wodurch die Atome weniger toxisch werden. In der Natur wird ein ähnlicher Prozess durch natürliche Proteine ​​erreicht, die in einigen Arten von Bakterien vorkommen, die in hohen Konzentrationen von Metallen leben können.

Quantenpunkte werden oft aus Verbindungshalbleitern wie Cadmiumsulfid hergestellt – zu dem auch das giftige Metall Cadmium gehört. Infolgedessen sagten Hecht und Kollegen voraus, dass ConK bei der Synthese von Cadmiumsulfid-Quantenpunkten verwendet werden könnte. Das Team fand heraus, dass ConK den Abbau der Aminosäure Cystein katalysieren konnte, wodurch Nebenprodukte wie Schwefelwasserstoff entstanden. Diese Verbindung kann dann mit Cadmium reagieren, um die Cadmiumsulfid-Nanokristalle zu erzeugen.

Quantum Dot Array könnte Ultra-Low-Energy-Switches herstellen

Im Vergleich zu natürlichen Proteinen stellte Hechts Team fest, dass sein neuer Ansatz zwei entscheidende Vorteile hat, die mit dem langsameren Wachstum der Nanokristalle zusammenhängen, wenn sie mit ConK hergestellt werden. Ein Vorteil besteht darin, dass die Cadmiumsulfid-Nanokristalle meist mit der gleichen Kristallstruktur erzeugt werden und nicht mit einer Mischung aus zwei verschiedenen Kristallstrukturen. Zweitens stabilisieren sich die Nanokristalle bei Größen von ungefähr 3 nm, wenn auch in leicht unregelmäßigen Formen.

„Die Quantenpunkte, die wir herstellen, sind noch nicht von hervorragender Qualität, aber das kann durch Feinabstimmung der Synthese verbessert werden“, sagt Spangler. „Wir können eine bessere Qualität erreichen, indem wir das Protein so manipulieren, dass es die Quantenpunktbildung auf unterschiedliche Weise beeinflusst.“

Sie hoffen, dass diese Technik in Zukunft zur Herstellung stabiler, hochwertiger Quantenpunkte bei Raumtemperatur im industriellen Maßstab führen könnte – und so eine nachhaltigere Zukunft für die schnell wachsende Quantenpunktindustrie sicherstellt.

Die Forschung ist beschrieben in Proceedings of the National Academy of Sciences.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/chemists-use-synthetic-protein-to-produce-quantum-dots-at-room-temperature/