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Une équipe interdisciplinaire de scientifiques de l'Université du Massachusetts, Amherst, a produit une nouvelle catégorie de matériaux électroniques susceptibles de créer un avenir "vert" et plus durable en matière de détection biomédicale et environnementale, ont déclaré le microbiologiste Derek Lovley, chef des recherches, et le scientifique en polymères, Todd Emrick.
Ils affirment que leurs nouveaux travaux montrent qu’il est possible de combiner des nanofils de protéines avec un polymère afin de produire un matériau composite électronique flexible qui conserve la conductivité électrique et les capacités de détection uniques des nanofils de protéines. Les résultats apparaissent dans le journal Petit.
Les nanofils de protéines présentent de nombreux avantages par rapport aux nanofils de silicium et aux nanotubes de carbone en termes de biocompatibilité, de stabilité et de potentiel de modification pour détecter un large éventail de biomolécules et de produits chimiques présentant un intérêt médical ou environnemental, dit Lovley. Cependant, ces applications de capteurs nécessitent que les nanofils de protéines soient incorporés dans une matrice flexible appropriée pour la fabrication de dispositifs de détection portables ou d'autres types de dispositifs électroniques.
Comme l'explique Lovley, "nous étudions la fonction biologique des nanofils de protéines depuis plus de dix ans, mais ce n'est que maintenant que nous pouvons voir la voie à suivre pour leur utilisation dans la fabrication pratique de dispositifs électroniques." La recherche postdoctorale Yun-Lu Sun, actuellement à l'Université du Texas à Austin, a découvert les conditions propices au mélange de nanofils de protéines avec un polymère non conducteur pour donner le matériau composite électroconducteur. Il a démontré que, bien que les fils soient faits de protéines, ils sont très durables et faciles à transformer en nouveaux matériaux.
"Un avantage supplémentaire est que les nanofils de protéines sont un matériau véritablement" vert "et durable", ajoute Lovley. "Nous pouvons produire en masse des nanofils de protéines avec des microbes cultivés avec des matières premières renouvelables. La fabrication de matériaux plus traditionnels à base de nanofils nécessite des apports énergétiques élevés et certaines substances chimiques vraiment nuisibles." En revanche, il déclare: "Les nanofils de protéines sont plus minces que les fils de silicium et, contrairement au silicium, stables dans l’eau, ce qui est très important pour les applications biomédicales, telles que la détection de métabolites dans la sueur".
Emrick ajoute: "Ces nanofils de protéines électroniques ont une ressemblance surprenante avec les fibres polymères et nous essayons de trouver le moyen de combiner les deux de manière plus efficace."
Dans leur étude de validation, les nanofils de protéines formaient un réseau électriquement conducteur lorsqu’ils étaient introduits dans l’alcool polymère polyvinylique. Le matériau peut être traité dans des conditions difficiles, telles que la chaleur, ou un pH extrême, tel qu'une acidité élevée, qui risquerait de détruire un composite à base de protéines, mais il a continué à bien fonctionner.
La conductivité des nanofils de protéines incorporés dans le polymère a considérablement changé en réponse au pH. "Il s'agit d'un paramètre biomédical important pour le diagnostic de certaines maladies graves", explique Lovley. "Nous pouvons également modifier génétiquement la structure des nanofils de protéines de manière à permettre, selon nous, la détection d'un large éventail d'autres molécules d'importance biomédicale."
Les nanofils de protéines électriquement conducteurs sont un produit naturel du microorganisme Geobacter découvert dans la boue de la rivière Potomac par Lovley il y a plus de 30 ans. Geobacter utilise les nanofils de protéines pour établir des connexions électriques avec d'autres microbes ou minéraux. "Les experts en sciences des matériaux tels que Todd Emrick et Thomas Russell de notre équipe méritent le mérite d'avoir introduit des nanofils de protéines dans le domaine des matériaux. Il ne s'agit plus uniquement de boue."
Dans ce travail soutenu par les fonds du campus UMass Amherst pour la recherche exploratoire, l’équipe collaborative de microbiologie des matériaux prévoit les prochaines étapes, à savoir l’augmentation de la production de matrices polymères-nanofils, explique Lovley.
«Les scientifiques en matériaux ont besoin de beaucoup plus de nanofils que nous n’avions l'habitude de fabriquer. Nous fabriquions des cartouches pour nos études biologiques. Ils ont besoin de seaux pleins. Nous nous concentrons maintenant sur la production de plus grandes quantités et sur l'adaptation des nanofils. afin qu'ils répondent à d'autres molécules ". Les chercheurs ont également déposé une demande de brevet sur l’idée d’un polymère conducteur à base de nanofils de protéines.
Explorer plus loin:
Développement d'électronique «verte»: une équipe découvre que les microbes du Potomac produisent un meilleur matériel électronique
Plus d'information:
Yun-Lu Sun et al, Matériaux composites conducteurs fabriqués à partir de nanofils de protéines produits de manière microbienne, Petit (2018). DOI: 10.1002 / smll.201802624
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