Kjemikere bruker syntetisk protein for å produsere kvanteprikker ved romtemperatur

Kjemikere bruker syntetisk protein for å produsere kvanteprikker ved romtemperatur

Tidsstempel: 9. januar 2023 11:09

Kvanteprikkforsker ved Princeton
Leah Spangler: "Vi kan oppnå bedre kvalitet ved å konstruere proteinet for å påvirke dannelsen av kvanteprikker på forskjellige måter." (Med tillatelse: C Todd Reichart/Department of Chemistry, Princeton University)

Forskere i USA har laget kvanteprikker ved hjelp av biokjemiske reaksjoner ved romtemperatur som katalyseres av et syntetisk protein. Utviklet av Leah Spangler, Michael Hecht og kolleger ved Princeton University, kan teknikken føre til mer bærekraftige metoder for å produsere kvanteprikker i industriell skala.

Kvanteprikker er nanokrystaller av halvledermaterialer som har nyttige kvanteegenskaper som faller mellom de for bulkmaterialer og individuelle atomer. Med spennende applikasjoner inkludert solceller, LED-skjermer og kvanteteknologier, er forskning på kvanteprikker et hett tema. Imidlertid krever produksjonen av disse bittesmå halvlederstrukturene ofte både høye temperaturer og giftige løsningsmidler - så forskere er på utkikk etter måter å lage kvanteprikker som er mer miljøvennlige.

I studien undersøkte teamet hvordan kvanteprikker kunne lages ved hjelp av finjusterte biokjemiske reaksjoner som involverer et protein som ikke finnes naturlig i biologiske systemer. I stedet ble proteinet laget i laboratoriet ved å kombinere naturlig forekommende aminosyrer.

Gjør metaller trygge

Det proteinet kalles Construct K (ConK) og det ble først syntetisert i 2016. Tidligere arbeid har vist at ConK tillater E coli bakterier for å overleve giftige konsentrasjoner av kobber. Selv om de kjemiske mekanismene som øker bakteriell overlevelse ikke er fullt ut forstått, mistenker forskere at det involverer katalyseprosesser som får metallatomer til å binde seg til molekyler - noe som gjør atomene mindre giftige. I naturen oppnås en lignende prosess av naturlige proteiner som finnes i noen typer bakterier som kan leve i høye konsentrasjoner av metaller.

Kvanteprikker er ofte laget av sammensatte halvledere som kadmiumsulfid – som inkluderer det giftige metallet kadmium. Som et resultat spådde Hecht og kolleger at ConK kunne brukes i syntesen av kadmiumsulfid kvanteprikker. Teamet fant at ConK var i stand til å katalysere nedbrytningen av aminosyren cystein, og skape biprodukter inkludert hydrogensulfid. Denne forbindelsen kan deretter reagere med kadmium for å lage kadmiumsulfid nanokrystaller.

Sammenlignet med naturlige proteiner, fant Hechts team at den nye tilnærmingen har to viktige fordeler som er relatert til den langsommere veksten av nanokrystallene når de er laget med ConK. En fordel er at kadmiumsulfid nanokrystallene er skapt stort sett med samme krystallstruktur, snarere enn med en blanding av to forskjellige krystallstrukturer. Den andre er at nanokrystallene stabiliserer seg ved størrelser på omtrent 3 nm, om enn i litt uregelmessige former.

"Kvanteprikkene vi lager er ikke av god kvalitet ennå, men det kan forbedres ved å justere syntesen," sier Spangler. "Vi kan oppnå bedre kvalitet ved å konstruere proteinet for å påvirke dannelsen av kvanteprikker på forskjellige måter."

I fremtiden håper de at denne teknikken kan føre til produksjon i industriell skala av stabile kvanteprikker av høy kvalitet ved romtemperatur – noe som sikrer en mer bærekraftig fremtid for den raskt voksende kvanteprikkindustrien.

Forskningen er beskrevet i Proceedings of National Academy of Sciences.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden