Nanotubo convertito in un dispositivo optoelettronico

I ricercatori russi e i loro collaboratori internazionali hanno sviluppato una fotocellula bioelettronica, con tutte le funzioni, utilizzando una molecola di una proteina fluorescente attaccata a un nanotubo di carbonio.

Se esposto alla luce, il sistema può modificare le sue proprietà elettroniche e funzionare come riflettore o cella di memoria a seconda di come la proteina è attaccata al tubo. I risultati del team aprono la porta a nuovi elementi elettronici, dispositivi di memoria e celle solari rispettosi dell'ambiente. La ricerca sostenuta dalla sovvenzione della Russian Science Foundation (RSF) è stata pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials. (1)

I dispositivi optoelettronici in grado di memorizzare e trasmettere informazioni rispondendo a varie lunghezze d'onda della luce si trovano al centro dei laser, dei diodi a emissione di luce (LED) e di alcuni dispositivi di memoria. Di particolare interesse sono i sistemi ibridi che contengono biomolecole, come le proteine, insieme a elementi elettronici. Grazie al loro basso costo, alla sicurezza ambientale e alle buone prestazioni ottiche, i sistemi ibridi possono essere utilizzati come componenti di elettronica molecolare, LED, laser avanzati e transistor ottici.

I ricercatori dell'Istituto di tecnologia elettronica di Mosca (MIET), del Lebedev Physical Institute of RAS e dello Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) di Mosca e i loro colleghi di Regno Unito, Finlandia e Serbia hanno modificato i nanotubi di carbonio usando la proteina fluorescente verde (GFP).

Il dottor Albert G Nasibulin, (2) professore presso Skoltech e capo del Laboratorio di Nanomateriali, spiega: «Nella configurazione esaminata, un nanotubo di carbonio a parete singola (SWCNT) funge da conduttore attivo e vettore per una molecola proteica, mentre il gruppo phenylazide fornisce reticolazione covalente per portatori di carica comuni tra i componenti del dispositivo».

Osservando la struttura dei composti risultanti, il team ha scoperto che la proteina può aiutare a controllare il tipo del futuro elemento optoelettronico. Poiché il sistema può scambiare energia e portatori di carica con l'ambiente, gli autori hanno beneficiato di questa capacità di costruire nuovi nanodispositivi.

«Il nanotubo di carbonio è indispensabile per le strutture dei sensori biomimetici, poiché aiuta a registrare anche i minimi cambiamenti nella struttura e la carica delle singole biomolecole a cui è collegato», commenta il dottor Nikita Nekrasov (3) del MIET.

I nanotubi di carbonio hanno molti elettroni liberi che possono migrare verso GFP (green fluorescent protein) e tornare indietro attraverso il ponte fenilazide. I ricercatori hanno provato diverse opzioni di attacco GFP, posizionando la canna in posizione verticale o di lato, per vedere come si sarebbe comportata la fotocellula. Hanno scoperto che se la proteina veniva posizionata lateralmente con il lato idrorepellente attaccato al tubo, l'intero sistema si comportava come un riflettore che controlla la conduttività del tubo. Ciò accade perché l'accensione e lo spegnimento della luce di eccitazione provoca un intenso scambio di elettroni tra il nanotubo e la proteina. Tuttavia, se il fondo di ritenzione idrica della proteina è stato attaccato al tubo, la carica è rimasta intrappolata tra il nanotubo e la proteina, consentendo al dispositivo di memorizzare informazioni per dozzine di minuti. Allo stesso tempo.

«I nostri risultati aiuteranno a creare dispositivi potenti e compatti controllati dalla luce per l'archiviazione e la trasmissione delle informazioni. Inoltre, entrambe le parti dei nostri elementi sono biodegradabili e, quindi, possono essere utilizzate per creare celle solari rispettose dell'ambiente», osserva Ivan Bobrinetsky, (4) dottore in scienze tecniche, project manager di RSF e ricercatore leader presso il MIET.

Riferimenti:

(1) Differential Bio-Optoelectronic Gating of Semiconducting Carbon Nanotubes by Varying the Covalent Attachment Residue of a Green Fluorescent Protein

(2) Albert G Nasibulin

(3) Nikita Nekrasov

(4) Ivan Bobrinetsky

Descrizione foto: Microchip con un bio-optoelectronic transistor. - Credit: MIET Media Office.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Protein on carbon nanotube: molecular spotlight and memory cell rolled into one