Российские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали полноценный биоэлектронный фотоэлемент на основе всего одной молекулы светящегося белка, соединенного с углеродной нанотрубкой. Такая система способна менять свои электронные свойства под действием света и в зависимости от того, как прикрепить белок, она может либо служить прожектором, либо хранить информацию. Исследование открывает перспективы для создания экологически чистых элементов электроники, запоминающих устройств и солнечных батарей. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Оптоэлектронные устройства, которые способны хранить и передавать информацию, воспринимая свет различных длин волн, лежат в основе лазеров, светодиодов и некоторых запоминающих приборов. Среди них большой научный интерес вызывают системы, содержащие помимо электронных элементов биомолекулы, например белки. Такие гибридные системы дешевле, экологичнее и при этом сохраняют необходимые оптические свойства. Их можно использовать в качестве компонентов для молекулярной электроники, светоизлучающих диодов (LED), новейших лазеров и оптических транзисторов.
Ученые из Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Москва), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) с коллегами из Кардиффского университета (Великобритания), Университета Аалто (Финляндия) и Нови-Садского университета (Сербия) модифицировали углеродные нанотрубки зеленым флуоресцентным белком (ЗФБ).
«В данном случае однослойная углеродная нанотрубка играет роль активного проводника и носителя белковой молекулы, с которой она связана через фенилазидную группу, обеспечивающую ковалентную сшивку и образование общих электронных пар между компонентами электронного устройства», – рассказывает заведующий Лабораторией наноматериалов, проф. Сколковского института науки и технологий, Насибулин Альберт Галийевич.
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 собственного излучения. Возможен и другой вариант — выделение тепла, но от этого его и защищает «бочонок», обеспечивая длительное сохранение флуоресцентных свойств.
Исследователи изучили структуру полученных соединений и выяснили, что можно контролировать тип формируемого оптоэлектронного элемента за счет белка. Эта система может обмениваться с внешней средой не только энергией, но и носителями заряда. Именно на этом свойстве авторы работы и построили новые наноустройства.
«Углеродная нанотрубка является незаменимым объектом при создании биоподобных сенсорных конструкций, позволяя фиксировать малейшие изменения в структуре и заряд единичных биомолекул, связанных с ней», — рассказывает Никита Некрасов, аспирант Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии» «МИЭТ».
Углеродные нанотрубки богаты свободными электронами, которые по фенилазидному мостику могут мигрировать на ЗФБ и обратно. Ученые по-разному присоединяли белок — как бы размещая «бочонок» стоя или на боку — и наблюдали, как будет себя вести фотоэлемент. Оказалось, что, если присоединить белок к углеродной нанотрубке его гидрофобной частью («боком»), то есть той, которая отталкивает от себя воду, то вся система начинает работать как прожектор, управляющий проводимостью нанотрубки. Это происходит потому, что при включении и выключении возбуждающего света нанотрубка и белок активно обмениваются электронами. В случае же, когда белок присоединили к нанотрубке более гидрофильной частью («дном») — той, что активно взаимодействует с водой, — то в области между нанотрубкой и белком происходит захват заряда, поэтому устройство приобретает способность хранить информацию десятки минут. При этом благодаря защитной белковой оболочке элемент сохранял стабильность в течение длительного времени.
«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, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии» «МИЭТ».