Ведущие исследователи Стивен Макинтош, Брайан Бергер и Кристофер Кили вместе с командой студентов, изучающих химическую инженерию, биоинженерию и материаловедение, представляют этот новый подход к воспроизводимому биосинтезу внеклеточных водорастворимых КТ в выпуске журнала Green Chemistry от 1 июля. . Это первый пример того, как инженеры использовали уникальную способность природы для достижения рентабельного и масштабируемого производства квантовых точек с использованием бактериального процесса.Используя сконструированный штамм Stenotrophomonas maltophilia для контроля размера частиц, команда биосинтезировала квантовые точки с использованием бактерий и сульфида кадмия, чтобы обеспечить путь к недорогому, масштабируемому и экологически чистому синтезу нанокристаллов CdS с внешним контролем размера кристаллитов в диапазоне квантового ограничения. Решение дает внеклеточные водорастворимые квантовые точки из недорогих прекурсоров при температуре и давлении окружающей среды. В результате получаются полупроводниковые нанокристаллы CdS с соответствующей шириной запрещенной зоны и фотолюминесцентными свойствами.
Этот биосинтетический подход обеспечивает жизнеспособный путь к реализации перспектив экологически чистого биопроизводства этих материалов. Команда Lehigh недавно представила этот процесс национальной выставке инвесторов и промышленных партнеров на Всемирной конференции инноваций TechConnect 2015 и Национальной выставке инноваций в Вашингтоне, округ Колумбия, 14-17 июня.«Биосинтетические квантовые точки позволят разработать экологически чистый процесс, вдохновленный биологией, в отличие от нынешних подходов, основанных на высоких температурах, давлении, токсичных растворителях и дорогих прекурсорах», — говорит Бергер. «Мы разработали уникальный« зеленый »подход, который существенно снижает как затраты, так и воздействие на окружающую среду».
Квантовые точки, которые используются в различных приложениях, таких как медицинская визуализация, освещение, технологии отображения, солнечные элементы, фотокатализаторы, возобновляемые источники энергии и оптоэлектроника, обычно дороги и сложны в производстве. В частности, в современных методах химического синтеза используются высокие температуры и токсичные растворители, что делает восстановление окружающей среды дорогостоящим и сложным.Этот недавно описанный процесс позволяет производить квантовые точки с использованием экологически безопасного процесса и за небольшую часть стоимости. В то время как в традиционных технологиях производства квантовые точки в настоящее время стоят от 1000 до 10 000 долларов за грамм, технология биопроизводства снижает их стоимость примерно до 1-10 долларов за грамм.
Существенное снижение стоимости потенциально делает возможным крупномасштабное производство квантовых точек, пригодных для использования в коммерческих приложениях.«Мы оцениваем урожайность порядка граммов на литр от периодических культур в оптимизированных условиях и можем воспроизвести КТ CdS в широком диапазоне размеров», — сказал Стивен МакИнтош.Исследование финансируется Отделом новых рубежей в исследованиях и инновациях Национального научного фонда (грант EFRI № 1332349) и основывается на успехе первоначального финансирования, предоставленного грантом Lehigh на инновации для факультетов (FIG) и грантом для совместных исследований (CORE). ) программы.
Исследовательская группа Lehigh через подразделение EFRI NSF также изучает возможность расширения этой работы, чтобы включить в нее широкий спектр других функциональных материалов. Функциональные материалы — это материалы с контролируемым составом, размером и структурой, чтобы облегчить желаемое взаимодействие со светом, электрическими или магнитными полями или химической средой, чтобы обеспечить уникальную функциональность в широком диапазоне приложений от энергетики до медицины.Макинтош сказал: «Хотя биосинтез конструкционных материалов относительно хорошо известен, использование природы для создания функциональных неорганических материалов обеспечит путь к будущей экологически чистой экономике, основанной на биопроизводстве.
Мы считаем, что эта работа является первым шагом на этом пути».