15 juin 2012 : Qu’ont de commun les lucioles, les nanotiges et les lumières de Noël ? Un jour, les consommateurs pourraient être en mesure d’acheter des chaînes multicolores de lumière qui ne nécessite pas d’électricité ou de piles pour briller. Les scientifiques du Collège des Arts et des Sciences de l’Université de Syracuse ont trouvé une nouvelle façon d’exploiter la lumière naturelle produite par les lucioles (appelée bioluminescence) à l’aide des nanosciences. Leur percée permet de produire un système qui est de 20 à 30 fois plus efficace que celles produites au cours des expériences précédentes.

Tout est en rapport avec la taille et la structure des nanotiges quantiques personnalisées qui sont produites dans le laboratoire par Mathew Maye, professeur adjoint de chimie au Collège SU des Arts et des Sciences, et Rabeka Alam, un doctorant de chimie.

"La lumière des lucioles est l’un des meilleurs exemples de bioluminescence," précise Matthew Maye. "La lumière est très brillante et efficace. Nous avons trouvé une nouvelle façon d’exploiter la biologie pour des applications non biologiques en manipulant l’interface entre les composants biologiques et non biologiques. "

Les lucioles produisent de la lumière par une réaction chimique entre la luciférine et son homologue, l’enzyme luciférase. Dans le laboratoire de Matthew Maye, l’enzyme est fixée à la surface d’une nanotige, la luciférine, qui est ajouté ultérieurement, sert de carburant. L’énergie qui est libérée lorsque le combustible et l’enzyme interagissent est transférée vers les nanotiges les amenant à briller. Le processus est appelé bioluminescence par transfert d’énergie de résonance (BRET en anglais).

“The trick to increasing the efficiency of the system is to decrease the distance between the enzyme and the surface of the rod and to optimize the rod’s architecture,” Maye says. “We designed a way to chemically attach genetically manipulated luciferase enzymes directly to the surface of the nanorod.” Maye’s collaborators at Connecticut College provided the genetically manipulated luciferase enzyme.

The nanorods are composed of an outer shell of cadmium sulfide and an inner core of cadmium seleneide. Both are semiconductor metals. Manipulating the size of the core, and the length of the rod, alters the color of the light that is produced. The colors produced in the laboratory are not possible for fireflies. Maye’s nanorods glow green, orange and red. Fireflies naturally emit a yellowish glow.

The efficiency of the system is measured on a BRET scale. The researchers found their most efficient rods (BRET scale of 44) occurred for a special rod architecture (called rod-in-rod) that emitted light in the near-infrared light range. Infrared light has longer wavelengths than visible light and is invisible to the eye. Infrared illumination is important for such things as night vision goggles, telescopes, cameras and medical imaging.

Maye’s and Alam’s firefly-conjugated nanorods currently exist only in their chemistry laboratory. Additional research is ongoing to develop methods of sustaining the chemical reaction—and energy transfer—for longer periods of time and to “scale up” the system. Maye believes the system holds the most promise for future technologies that that will convert chemical energy directly to light ; however, the idea of glowing nanorods substituting for LED lights is not the stuff of science fiction.

“The nanorods are made of the same materials used in computer chips, solar panels and LED lights,” Maye says. “It’s conceivable that someday firefly-coated nanorods could be inserted into LED-type lights that you don’t have to plug in.”

Maye’s research was funded by a Department of Defense PECASE award sponsored by the Air Force Office of Scientific Research (AFOSR). The AFOSR and the National Science Foundation supported the work performed by Maye’s collaborators at Connecticut College.

 https://www.syr.edu/news/articles/2012/fireflies-06-12.html