Kemister använder syntetiskt protein för att producera kvantprickar vid rumstemperatur

Kemister använder syntetiskt protein för att producera kvantprickar vid rumstemperatur

Tidsstämpel: 9 januari 2023 11:09

Quantum dot forskare vid Princeton
Leah Spangler: "Vi kan uppnå bättre kvalitet genom att konstruera proteinet för att påverka kvantprickbildningen på olika sätt." (Med tillstånd: C Todd Reichart/Department of Chemistry, Princeton University)

Forskare i USA har skapat kvantprickar med hjälp av biokemiska reaktioner vid rumstemperatur som katalyseras av ett syntetiskt protein. Utvecklad av Leah Spangler, Michael Hecht och kollegor vid Princeton University kan tekniken leda till mer hållbara metoder för tillverkning av kvantprickar i industriell skala.

Kvantprickar är nanokristaller av halvledarmaterial som har användbara kvantegenskaper som ligger mellan de för bulkmaterial och enskilda atomer. Med spännande applikationer inklusive solceller, LED-skärmar och kvantteknologier är forskning om kvantprickar ett hett ämne. Men tillverkningen av dessa små halvledarstrukturer kräver ofta både höga temperaturer och giftiga lösningsmedel – så forskare letar efter sätt att göra kvantprickar som är mer miljövänliga.

I studien undersökte teamet hur kvantprickar kunde göras med hjälp av finjusterade biokemiska reaktioner som involverar ett protein som inte finns naturligt i biologiska system. Istället gjordes proteinet i labbet genom att kombinera naturligt förekommande aminosyror.

Att göra metaller säkra

Det proteinet kallas Construct K (ConK) och det syntetiserades första gången 2016. Tidigare arbete har visat att ConK tillåter E coli bakterier för att överleva giftiga koncentrationer av koppar. Även om de kemiska mekanismerna som ökar bakteriell överlevnad inte är helt klarlagda, misstänker forskare att det involverar katalysprocesser som gör att metallatomer binder till molekyler - vilket gör atomerna mindre giftiga. I naturen uppnås en liknande process av naturliga proteiner som finns i vissa typer av bakterier som kan leva i höga koncentrationer av metaller.

Kvantprickar är ofta gjorda av sammansatta halvledare som kadmiumsulfid – som inkluderar den giftiga metallen kadmium. Som ett resultat förutspådde Hecht och kollegor att ConK kunde användas i syntesen av kadmiumsulfidkvantprickar. Teamet fann att ConK kunde katalysera nedbrytningen av aminosyran cystein och skapa biprodukter inklusive svavelväte. Denna förening kan sedan reagera med kadmium för att skapa nanokristaller av kadmiumsulfid.

Jämfört med naturliga proteiner fann Hechts team att dess nya tillvägagångssätt har två viktiga fördelar som är relaterade till den långsammare tillväxten av nanokristallerna när de skapas med ConK. En fördel är att kadmiumsulfidnanokristallerna skapas mestadels med samma kristallstruktur, snarare än med en blandning av två olika kristallstrukturer. Den andra är att nanokristallerna stabiliserar sig vid storlekar på ungefär 3 nm, om än i något oregelbundna former.

"Kvantprickarna vi gör är ännu inte av bra kvalitet, men det kan förbättras genom att ställa in syntesen", säger Spangler. "Vi kan uppnå bättre kvalitet genom att konstruera proteinet för att påverka kvantprickbildningen på olika sätt."

I framtiden hoppas de att denna teknik kan leda till tillverkning i industriell skala av stabila kvantprickar av hög kvalitet vid rumstemperatur – vilket säkerställer en mer hållbar framtid för den snabbt växande kvantpricksindustrin.

Forskningen beskrivs i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden