Profiteren van de evolutie: algen maken multifunctionele perovskieten mogelijk

Wetenschappers van TU Dresden zijn erin geslaagd om de minerale schelpen van algen te transformeren in functionele perovskieten met unieke kristalstructuren en controleerbare elektro-optische eigenschappen.

De eigenschappen van perovskieten kunnen worden aangepast door hun chemische samenstelling en interne architectuur te veranderen, wat soms betekent dat de verdeling en oriëntatie van de kristalstructuur anders moet. Tot nog toe lukt dat maar in beperkte mate, door de afwezigheid van goede productiemethoden. Het team in Dresden is er nu echter in geslaagd om uit algen om te zetten in perovskieten met unieke nano-architecturen en kristaleigenschappen. Daarbij maakt het team gebruik van de evolutie van deze eencellige organismen.

“Mineralen gevormd door levende organismen vertonen vaak structurele en kristallografische kenmerken die de productiecapaciteiten van de huidige synthetische methoden ver te boven gaan. Eencellige organismen hebben gedurende honderden miljoenen jaren gereageerd op een breed scala aan omgevingsfactoren zoals temperatuur, pH en mechanische stress. Als gevolg hiervan zijn sommige geëvolueerd om absoluut unieke biomaterialen te produceren die exclusief zijn voor de natuur”, zegt Igor Zlotnikov, onderzoeksgroepleider bij de B Cube – Centre for Molecular Bioengineering die de studie leidde.

Het team richtte zich op L. granifera, een algensoort die calciet gebruikt om schelpen te vormen. Hun bolvormige schelpen hebben een unieke kristalarchitectuur. De kristallen zijn radiaal uitgelijnd, wat betekent dat ze zich vanuit het midden van de bol naar buiten toe verspreiden.

“De huidige productiemethoden van perovskieten zijn niet in staat om dit soort materialen synthetisch te produceren. We kunnen echter proberen de bestaande natuurlijke structuren om te zetten in functionele materialen terwijl ze hun oorspronkelijke architectuur behouden”, voegt Zlotnikov toe.

Chemische afstemming

Om de natuurlijke minerale omhulsels van algen om te zetten in functionele perovskieten, moest het team chemische elementen in calciet vervangen. Daarvoor gebruikten ze een methode die was ontwikkeld door hun medewerkers van het Amolf-instituut in Amsterdam. De wetenschappers waren in staat om verschillende soorten kristalarchitecturen te produceren door de chemische samenstelling van het materiaal te veranderen. Op die manier konden ze hun elektro-optische eigenschappen verfijnen.

Rood. groen of blauw licht

Door de calcietschalen om te zetten in loodhalogeniden met jodium, bromide of chloride, kon het team functionele perovskieten maken die zijn geoptimaliseerd om alleen rood, groen of blauw licht uit te stralen.

Klaar voor schaalvergroting

“We laten voor het eerst zien dat mineralen geproduceerd door eencellige organismen kunnen worden omgezet in technologisch relevante functionele materialen. In plaats van te concurreren met de natuur, kunnen we profiteren van de jaren van evolutionaire aanpassing die ze al hebben doorgemaakt”, zegt Zlotnikov.

De door zijn team ontwikkelde methode kan worden opgeschaald voor de industrie.