Halbleitertechnik: Protein-Drähte machen Silizium Konkurrenz

Derek Lovley in seinem mikrobiologischen Labor (Foto: umass.edu)
Derek Lovley in seinem mikrobiologischen Labor (Foto: umass.edu)

Silizium bekommt nach Graphen und den sogenannten III/IV-Halbleitern neue Konkurrenz. Forscher an der University of Massachusetts kombinieren nanometerdicke Leitungen aus Proteinen, die aus Aminosäuren bestehen, mit einem Kunststoff, der Halbleiterfähigkeiten hat. Es entsteht flexible und "grüne" Elektronik, die zu einem umweltgerechteren Einsatz in der Biomedizin und in der Umweltmesstechnik führen kann, sagen der Mikrobiologe Derek Lovley und der Kunststoffspezialist Todd Emrick.

Nanodrähte aus Proteinen haben entscheidende Vorteile gegenüber Silizium und Nanoröhrchen aus Kohlenstoffatomen. Sie sind biokompatibel und besonders stabil. Sie lassen sich so modifizieren, dass sie zahlreiche Biomoleküle und Chemikalien aufspüren, die von medizinischem und umwelttechnischen Interesse sind. Um als Sensoren eingesetzt zu werden, müssten die Protein-Drähte mit einer Schutzhülle umgeben werden, um tragbare Sensoren oder andere elektronische Geräte zu bauen.

Yun-Lu Sun, mittlerweile an der University of Texas tätig, hat das Verfahren entwickelt, mit dem sich Protein-Drähte in eine Hülle aus nicht-leitfähigem Kunststoff einbetten lassen. Lovley liefert den anderen Part, eben die Protein-Nanodrähte. "Wir können sie mithilfe von Mikroorganismen, die mit erneuerbarem Material gefüttert werden, in Massen produzieren", so der Mikrobiologe. Die Herstellung von klassischen Nanodrähten benötige dagegen sehr viel Energie, weil die Prozesstemperaturen sehr hoch sind. Ausserdem seien Protein-Drähte weitaus dünner als die aus Silizium. Mikroorganismus aus Potomac River

Die Protein-Drähte reagieren empfindlich auf Veränderungen beim pH-Wert. Massstab ist die Leitfähigkeit der Proteine. Der pH-Wert ist ein wichtiger biomedizinischer Indikator, wenn es um die Diagnose von Krankheiten geht. Die elektrisch leitfähigen Proteine produzieren einen Mikroorganismus aus der Familie der Geobacter, den Lovley vor 30 Jahren im Potomac River im Osten der USA entdeckt hat. Im nächsten Schritt soll die Massenproduktion des Verbunds aus Kunststoff und Protein-Drähten vorbereitet werden. "Bisher produzieren wir Protein-Drähte in Mengen, die in einen Fingerhut passen. Wir brauchen aber ganze Körbe voll", so Lovley.