Российские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали полноценный биоэлектронный фотоэлемент на основе одной молекулы светящегося белка, соединенного с углеродной нанотрубкой. Система способна менять свои электронные свойства под действием света и может служить прожектором или хранить информацию. Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Оптоэлектронные устройства, способные хранить и передавать информацию, воспринимая свет различных длин волн, лежат в основе лазеров, светодиодов и некоторых элементов памяти. Среди них большой интерес вызывают системы, содержащие, помимо электронных элементов, биомолекулы, такие как белки. Подобные гибридные системы дешевле и экологичнее, при этом они сохраняют необходимые оптические свойства. Их можно использовать в качестве компонентов для молекулярной электроники, светоизлучающих диодов (LED), лазеров и оптических транзисторов.
Ученые из России, Финляндии и Сербии модифицировали углеродные нанотрубки зеленым флуоресцентным белком (ЗФБ). «Мостиком» между ними служили молекулы фенилазида, которые под действием света обеспечивают ковалентную сшивку с атомами углерода в нанотрубке, то есть реакцию с образованием общих электронных пар между атомами разных компонентов. ЗФБ представляет собой «бочонок» из складчатой аминокислотной цепи, внутри которого располагается молекула флуорофора. Последний под действием излучения приобретает дополнительную энергию, претерпевает электронные перестройки, а затем возвращается в исходное состояние, отдавая избыток энергии в виде излучения.
Исследователи изучили структуру новых соединений и выяснили, что тип формируемого оптоэлектронного элемента можно контролировать за счет белка. Система может обмениваться с внешней средой не только энергией, но и носителями заряда. Углеродная нанотрубка является незаменимым объектом при создании биоподобных сенсорных конструкций, позволяя фиксировать малейшие изменения в структуре и заряд единичных биомолекул, связанных с ней.
Свободные электроны углеродных нанотрубок по фенилазидному мостику могут мигрировать на ЗФБ и обратно. Ученые по-разному присоединяли белок и наблюдали, как будет себя вести фотоэлемент. Оказалось, что если присоединить белок к углеродной нанотрубке его частью, которая отталкивает от себя воду (гидрофобной), то вся система начинает работать как прожектор, управляющий проводимостью нанотрубки, так как при включении и выключении возбуждающего света нанотрубка и белок активно обмениваются электронами. В случае, когда белок присоединяют к нанотрубке частью, активно взаимодействующей с водой (гидрофильной), в области между нанотрубкой и белком происходит захват заряда, поэтому устройство приобретает способность хранить информацию десятки минут.
«Наша разработка позволит создать мощные и компактные устройства для хранения и передачи информации, управляемые светом. Кроме того, оба компонента наших элементов являются биоразлагаемыми и не несут вреда окружающей среде, поэтому могут стать основой экологически чистых солнечных батарей», — рассказывает Иван Бобринецкий, руководитель проекта по гранту РНФ.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
