Les points quantiques (QD) sont des nanocristaux semi-conducteurs prisés pour leurs propriétés optiques et électroniques. Le brillant, les couleurs pures produites par les QD lorsqu'elles sont stimulées par la lumière ultraviolette sont idéales pour une utilisation dans les écrans plats, appareils d'imagerie médicale, panneaux solaires et LED. Un obstacle à la production de masse et à l'utilisation généralisée de ces particules miracles est la difficulté et le coût associés aux méthodes de fabrication chimiques actuelles qui nécessitent souvent de la chaleur, solvants à haute pression et toxiques.

Mais maintenant, trois ingénieurs de l'Université Lehigh ont démontré avec succès le premier contrôle avec précision, façon biologique de fabriquer des points quantiques à l'aide d'une seule enzyme, ouvrant la voie à un processus beaucoup plus rapide, méthode de production moins chère et plus verte.

L'équipe Lehigh—Bryan Berger, Classe de 1961 Professeur agrégé, Génie chimique et biomoléculaire ; Chris Kiely, Harold B. Chambers, professeur principal, Science et génie des matériaux et Steven McIntosh, Classe de 1961 Professeur agrégé, Génie chimique et biomoléculaire, avec Ph.D. Li Lu et Robert Dunleavy, étudiant de premier cycle, ont détaillé leurs découvertes dans un article intitulé "Single Enzyme Biomineralization of Cadmium Sulfide Nanocrystals with Controlled Optical Properties" publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"La beauté d'une approche biologique est qu'elle réduit les besoins de production, la charge environnementale et le temps de production beaucoup, " dit Berger.

En juillet de l'année dernière, le travail de l'équipe a fait la couverture de Chimie verte décrivant leur utilisation de « l'évolution dirigée » pour modifier une souche bactérienne appelée Stenotophomonas maltophilia afin de produire sélectivement des QD de sulfure de cadmium. Parce qu'ils ont découvert qu'une seule enzyme produite par la bactérie est responsable de la génération QD, la voie de production à base de cellules a été entièrement abandonnée. Les QD de sulfure de cadmium, comme ils l'ont maintenant montré dans l'article de PNAS, peut être généré avec la même enzyme synthétisée à partir d'autres bactéries facilement modifiées telles que E. coli.

"Nous avons fait évoluer l'enzyme au-delà de ce que la nature avait prévu, " dit Berger, l'ingénierie pour non seulement faire la structure cristalline des QDs, mais contrôlez leur taille. Le résultat est la capacité de produire uniformément des points quantiques qui émettent n'importe quelle couleur particulière qu'ils choisissent, la caractéristique même qui rend ce matériau attrayant pour de nombreuses applications.

Les processus industriels prennent de nombreuses heures pour faire croître les nanocristaux, qui doivent ensuite subir des étapes de traitement et de purification supplémentaires. Biosynthèse, d'autre part, prend de quelques minutes à quelques heures maximum pour rendre la gamme complète de tailles de points quantiques (environ 2 à 3 nanomètres) en continu, processus respectueux de l'environnement aux conditions ambiantes dans l'eau qui n'a pas besoin d'étapes de post-traitement pour récolter le final, produit hydrosoluble.

Le perfectionnement de la méthodologie pour analyser structurellement les nanoparticules individuelles a nécessité un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) hautement sophistiqué. L'installation de microscopie électronique et de nanofabrication de Lehigh a pu fournir un instrument de pointe de 4,5 millions de dollars qui a permis aux chercheurs d'examiner la structure et la composition de chaque QD, qui n'est composé que de dizaines à centaines d'atomes.

"Même avec ce nouveau microscope, nous repoussons les limites de ce qui peut être fait, " dit Kiely.

L'instrument balaye un faisceau d'électrons ultra-fin à travers un champ de QD. Les atomes dispersent les électrons dans le faisceau, produire une sorte d'image d'ombre sur un écran fluorescent, semblable à la façon dont un objet bloquant la lumière produit une ombre sur le mur. Une caméra numérique enregistre l'image de résolution atomique fortement agrandie du nanocristal pour analyse.

L'équipe est prête à étendre son succès de laboratoire à une entreprise de fabrication fabriquant des QD peu coûteux d'une manière respectueuse de l'environnement. La fabrication de produits chimiques conventionnels coûte 1 $, 000 à 10 $, 000 par gramme. Une technique de bioproduction pourrait potentiellement réduire le prix d'au moins un facteur 10, et l'équipe estime les rendements de l'ordre du gramme par litre à partir de chaque lot de culture, dit McIntosh.

A longue vue, les trois collègues espèrent que leur méthode débouchera sur une pléthore d'applications futures de QD, comme la fabrication plus verte du méthanol, un carburant écologique qui pourrait être utilisé pour les voitures, appareils de chauffage et production d'électricité. La purification de l'eau et le recyclage des métaux sont deux autres utilisations possibles de cette technologie.

"Nous voulons créer de nombreux types différents de matériaux fonctionnels et fabriquer des matériaux fonctionnels à grande échelle ainsi que des points quantiques individuels, " dit McIntosh.

Il imagine développer un processus par lequel des points quantiques individuels s'organisent en macrostructures, la façon dont la nature fait pousser une coquille de mollusque à partir de nanoparticules inorganiques individuelles ou les humains font pousser des tissus artificiels dans un laboratoire.

« Si nous sommes en mesure de tirer davantage parti du matériel et de contrôler sa structure tout en conservant ses fonctionnalités de base, nous pourrions potentiellement obtenir une cellule solaire pour s'assembler avec des points quantiques. »