Zrównoważone oświetlenie oparte na sztucznych białkach
Diody emitujące światło białe są coraz częściej wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, od oświetlenia wewnętrznego po światła uliczne i reflektory pojazdów. Diody te są oparte na układzie wysokoenergetycznym pokrytym nieorganicznym luminoforem - zwykle pierwiastkiem ziem rzadkich bądź toksycznym związkiem chemicznym, który częściowo przekształca światło niebieskie w żółto-pomarańczowe. Połączenie obu tych kolorów pozwala uzyskać białe światło. „Oświetlenie oparte na diodach emitujących białe światło charakteryzuje się najwyższą sprawnością spośród technologii oświetleniowych, jakimi obecnie dysponujemy”, wyjaśnia Rubén Costa, koordynator projektu ARTIBLED(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z ramienia Uniwersytetu Technicznego w Monachium(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Niemczech.
Zrównoważony rozwój technologii LED
Wykorzystanie pierwiastków ziem rzadkich i toksycznych związków w białych diodach elektroluminescencyjnych jest od dawna uznawane za główne wąskie gardło utrudniające zrównoważony rozwój tej technologii. Projekt ARTIBLED został powołany do życia w celu rozwiązania tego problemu poprzez opracowanie białek emitujących osadzonych w powłokach polimerowych, które mają pełnić rolę filtrów zmieniających kolor światła. „W ramach projektu stawialiśmy czoła czterem kluczowym wyzwaniom”, wyjaśnia Costa. „W pierwszej kolejności musieliśmy odkryć emitery organiczne, które byłyby w stanie wytrzymać warunki pracy, a następnie zaprojektować rusztowania białkowe, aby zapewnić im dodatkową ochronę. Następnie musieliśmy znaleźć przystępny cenowo sposób zwiększenia produkcji zarówno barwników, jak i białek, a na koniec opracować kompozycję białkowo-polimerową odpowiednią do praktycznych zastosowań”. Cele te udało się zrealizować dzięki konsorcjum, w skład którego weszli chemicy organiczni i inżynierowie białek. Specjalistów wspierali teoretycy, bioinformatycy i eksperci zajmujący się spektroskopią. „Zespół projektowy zbadał przeszło 80 różnych emiterów i 10 000 białek, aby ostatecznie uzyskać dwa sztuczne białka fluorescencyjne o niskiej i średniej energii emisji”, wyjaśnia Costa. „Ponadto udało nam się zwiększyć produkcję białek”.
Dwa typy sztucznych białek fluorescencyjnych
Zdaniem Costy projekt ARTIBLED odniósł sukces na dwóch płaszczyznach. „Przede wszystkim udało nam się opracować sztuczne białka fluorescencyjne, które emitują światło w niskoenergetycznej części widma z niezwykłą wydajnością kwantową fotoluminescencji i fotostabilnością”, zauważa. „Pierwsze z nich może zostać zastosowane do przetwarzania fotonów w celach medycznych lub jako nowy rodzaj biomarkera”. Drugie sztuczne białko, charakteryzujące się wydajnym i szerokim pasmem emisji o średniej energii, może być wykorzystane do zaprojektowania jednoskładnikowych białkowych filtrów barwnych do emisji światła białego. „Dotychczas operacja ta wymagała kilku rodzajów białek fluorescencyjnych lub emiterów, co powodowało zmiany koloru związane z różnymi szybkościami fotowybielania każdego białka”, dodaje Costa.
Zastosowania w oświetleniu, obrazowaniu i mikroskopii fluorescencyjnej
Zespół projektu ARTIBLED wykazał, że sztuczne białka fluorescencyjne mogą być wykorzystywane do produkcji tanich i charakteryzujących się wysoką sprawnością filtrów barwnych do diod elektroluminescencyjnych emitujących światło białe, co pozwala na eliminację pierwiastków ziem rzadkich oraz toksycznych związków. Ten przełom może pozwolić Europie pozostać w czołówce pod względem innowacji w dziedzinie oświetlenia. Costa dostrzega szeroki zakres potencjalnych zastosowań tych wysoce emisyjnych i stabilnych materiałów opartych na białkach. „Opracowaliśmy dwie nowe rodziny sztucznych białek emitujących światło, które mogą być bardzo interesujące z punktu widzenia manipulacji fotonami”, zauważa badacz. „Co więcej, białka zachowały swoje doskonałe właściwości emisyjne w powłokach polimerowych na bazie wody. Obecnie badamy możliwość wykorzystania ich do różnych zastosowań związanych z oświetleniem, a także w obrazowaniu i mikroskopii fluorescencyjnej”.
