Светлячки помогут найти замену светодиодным лампам

Что общего между светлячками, наностержнями и Рождественскими огнями? Объединение этих разноплановых элементов позволит вывести на рынок многоцветные светоизлучающие полосы, которые для своей работы не требуют электричества. Ученые из Сиракузского университета нашли способ использовать естественный свет светлячков. Их новая технология может привести к появлению осветительных систем свободных от электричества, аккумуляторных батарей и топлива на основе нефтепродуктов в самом ближайшем будущем.

Ученые научились использовать естественный свет, излучаемый светлячками (так называемая биолюминесценция), при помощи нанотехнологий. Их прорыв позволяет создать систему освещения, которая будет в 20 - 30 раз эффективнее, чем созданные их коллегами - и намного эффективнее, чем светодиодные лампы. Все дело в размерах и структуре сделанных на заказ квантовых наностержней, которые производятся в лаборатории ассистента профессора химии Мэтью Майе и кандидата наук Ребеки Алам. Их научная работа "Проектирование квантовых стержней для оптимизации передачи энергии ферментами люциферазы светляков" (Designing Quantum Rods for Optimized Energy Transfer with Firefly Luciferase Enzymes) была опубликована в журнале Nano Letters, который является одним из ведущих изданий в области нанонауки.

"Свет светлячков является одним из лучших примеров биолюминесценции," говорит Майе. "Свет, излучаемый насекомым, очень яркий и эффективный. Мы нашли новый способ использовать биологию в рамках небиологических приложений путем манипулирования интерфейсом между биологическими и небиологическими компонентами".

Светлячки излучают свет, который является результатом химической реакции между светоизлучающим биологическим пигментом люциферином и ферментом люцифераза. В лаборатории Майе фермент присоединяется к поверхности наностержней; люциферин, который добавляется позже, выступает в качестве топлива. Энергии, которая высвобождается, когда "топливо" и фермент взаимодействуют, передается на наностержни, заставляя их светиться. Этот процесс называется резонансный перенос энергии биолюминесценции (BRET).

"Весь фокус в том, чтобы повысить эффективность системы. Этого можно добиться посредством уменьшения расстояния между ферментом и поверхностью стержня и оптимизацией архитектуры стержня", говорит Майе. "Мы разработали способ химического закрепления генетически модифицированного фермента люциферазы прямо на поверхности наностержней".

Наностержни состоят из внешней оболочки на основе сульфида кадмия и внутреннего стержня из селенида кадмия. Оба являются полупроводниковыми металлами. Через ряд манипуляций с размером стержня и его длиной можно добиться изменения цветовых характеристик излучаемого света. Цвета, воспроизведенные в лабораторных условиях, недоступны светлячкам: наностержни Майе светятся зеленым, оранжевым и красным. Светлячки же в естественной среде излучают желтоватый свет. Эффективность системы измеряется по шкале BRET. Наиболее эффективные стержни были созданы по специальной архитектуре (т. н. стержень-в-стержне), а излучаемый ими свет находится в ближнем инфракрасном диапазоне. Инфракрасное излучение имеет большую длину волны, чем видимый свет и невидимо для человеческих глаз. Инфракрасная подсветка имеет первоочередное значение для таких вещей, как приборы ночного видения, фотоаппараты и системы визуализации в медицине.

Светлячки-наностержни Майе и Алам в настоящее время существуют только в их химической лаборатории. Дополнительные исследования продолжаются. Идет разработка методов поддержания химических реакций и передачи энергии в течение более длительного времени. Ученые также собираются "расширить" систему. Майе считает, что система имеет огромное значение для развития наиболее перспективных технологий будущего. Однако, идея того, что светящиеся наностержни заменят светодиодные лампы, не является научной фантастики.

"Наностержни изготавливаются из тех же материалов, которые используются в компьютерных чипах, солнечных батареях и светодиодных лампах," говорит Майе. "Возможно, когда-нибудь наши наностержни можно будет вкрутить в обычные патроны для лампочек, но электричество уже не понадобится."