Que font les lucioles, les nanotiges et les lumières de Noël ont-elles en commun ? Un jour, les consommateurs peuvent acheter des guirlandes lumineuses multicolores qui n'ont pas besoin d'électricité ni de piles pour briller. Des scientifiques du Collège des arts et des sciences de l'Université de Syracuse ont trouvé un nouveau moyen d'exploiter la lumière naturelle produite par les lucioles (appelée bioluminescence) à l'aide de la nanoscience. Leur percée produit un système 20 à 30 fois plus efficace que ceux produits lors des expériences précédentes.
Tout dépend de la taille et de la structure de la coutume, nanotiges quantiques, qui sont produites en laboratoire par Mathew Maye, professeur assistant de chimie au Collège des Arts et des Sciences de la Ligue; et Rabeka Alam, un doctorat en chimie candidat. Maye est également membre du Syracuse Biomaterials Institute.
"La lumière des lucioles est l'un des meilleurs exemples de bioluminescence de la nature, " dit Maye. " La lumière est extrêmement brillante et efficace. Nous avons trouvé une nouvelle façon d'exploiter la biologie pour des applications non biologiques en manipulant l'interface entre les composants biologiques et non biologiques."
Leur travail, "Concevoir des bâtonnets quantiques pour un transfert d'énergie optimisé avec les enzymes luciférase Firefly, " a été publié en ligne le 23 mai dans Lettres nano et est à paraître sous forme imprimée. Le professeur Bruce Branchini et Danielle Fontaine ont collaboré à la recherche, tous deux du Connecticut College.
Les lucioles produisent de la lumière grâce à une réaction chimique entre la luciférine et son homologue, l'enzyme luciférase. Dans le laboratoire de Maye, l'enzyme est attachée à la surface de la nanotige; luciférine, qui est ajouté plus tard, sert de carburant. L'énergie qui est libérée lorsque le carburant et l'enzyme interagissent est transférée aux nanotiges, les faisant briller. Le processus est appelé transfert d'énergie par résonance de bioluminescence (BRET).
"L'astuce pour augmenter l'efficacité du système est de diminuer la distance entre l'enzyme et la surface de la tige et d'optimiser l'architecture de la tige, " dit Maye. " Nous avons conçu un moyen d'attacher chimiquement des enzymes luciférase génétiquement manipulées directement à la surface de la nanotige. " Les collaborateurs de Maye au Connecticut College ont fourni l'enzyme luciférase génétiquement manipulée.
Les nanotiges sont composées d'une enveloppe externe de sulfure de cadmium et d'un noyau interne de séléniure de cadmium. Les deux sont des métaux semi-conducteurs. Manipuler la taille du noyau, et la longueur de la tige, modifie la couleur de la lumière produite. Les couleurs produites en laboratoire ne sont pas possibles pour les lucioles. Les nanotiges de Maye brillent en vert, orange et rouge. Les lucioles émettent naturellement une lueur jaunâtre. L'efficacité du système est mesurée sur une échelle BRET. Les chercheurs ont découvert que leurs tiges les plus efficaces (échelle BRET de 44) se sont produites pour une architecture de tige spéciale (appelée tige dans la tige) qui émettait de la lumière dans la plage de lumière proche infrarouge. La lumière infrarouge a des longueurs d'onde plus longues que la lumière visible et est invisible à l'œil. L'éclairage infrarouge est important pour des choses telles que les lunettes de vision nocturne, télescopes, caméras et imagerie médicale.
Les nanotiges conjuguées à la luciole de Maye et Alam n'existent actuellement que dans leur laboratoire de chimie. Des recherches supplémentaires sont en cours pour développer des méthodes de maintien de la réaction chimique - et du transfert d'énergie - pendant de plus longues périodes et pour "augmenter" le système. Maye pense que le système est le plus prometteur pour les technologies futures qui convertiront directement l'énergie chimique en lumière ; cependant, l'idée de nanotiges incandescentes remplaçant les lumières LED n'est pas de la science-fiction.
"Les nanotiges sont constituées des mêmes matériaux que ceux utilisés dans les puces informatiques, panneaux solaires et lumières LED, " dit Maye. " Il est concevable qu'un jour des nanotiges recouvertes de lucioles puissent être insérées dans des lampes de type LED que vous n'avez pas à brancher. "
