Caring about the future

NASCADIA – Natural photonic nanostructures: From implications in diatoms towards next generation nanobiodevices
Coordinator - Johannes Goessling
Execution dates - 2022-01-17 - 2025-03-15 (38 Months)
Funding Entity - FCT
Funding for CESAM - 125544 €
Total Funding - 249455 €
Proponent Institution - Universidade de Aveiro
Participating Institutions
INL – Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologias

Project Description
Embora a procura global por tecnologias aumente constantemente, a sua produção ainda depende de técnicas de produção insustentáveis e não amigáveis do meio ambiente, bem como da mineração de matérias-primas essenciais. Os cristais fotónicos estão entre os componentes tecnológicos com elevada procura, pois podem manipular a luz em nanoescalas, com aplicações que vão desde optoeletrónica, telecomunicações e tecnologias de informação, dispositivos opto-médicos e farmacêuticos, até tecnologias emergentes de lógica quântica. A obtenção de elevada qualidade desses materiais óticos depende da aplicação de técnicas especializadas de micro- e nanofabricação, tão avançadas quanto a litografia por feixe de eletrões e a corrosão química e deposição de filme fino, que exigem ambientes altamente controlados como ‘clean rooms’. Este projeto apresenta microalgas como biofábrica para a produção de nanoestruturas fotónicas de alta qualidade para servir como plataformas em dispositivos de deteção óptica / plasmónica. Com esta abordagem, abrir-se-á o caminho para a produção fotónica por meio de métodos naturais limpos, seguros e económicos, nos quais a manipulação das condições de crescimento das microalgas pode transformar a sua biomassa em dispositivos fotónicos com uma ampla gama de aplicações, como a monitorização da qualidade da água. Recentemente, demonstramos que cristais fotónicos de alta qualidade podem ser obtidos por meio de técnicas de produção naturais e ecologicamente corretas. Concretamente, microalgas unicelulares do grupo das diatomáceas desenvolvem cristais fotónicos como parte da parede extracelular de bio-sílica, com propriedades fotónicas na faixa espectral visível e próxima do infravermelho. Na verdade, essas estruturas são facilmente acessíveis por meio de grandes depósitos fósseis, conhecidos como diatomito. Descobrimos que as propriedades fotónicas são altamente reproduzíveis em condições de contraste de baixo índice de refração, em imersão em água. Isto deve-se às propriedades do material e aos parâmetros estruturais altamente reproduzíveis, como o período da célula unitária; no entanto, outros parâmetros com implicações sobre as propriedades fotónicas em contraste de índice de refração mais alto, como a fração de preenchimento de poro, podem variar entre as estruturas individuais. Esta observação suscitou questões sobre as implicações biológicas das propriedades fotónicas nas diatomáceas, visto que a conservação das propriedades coincide com as condições de índice de refração efetivas presentes em condições naturais na água. Mas também é pertinente perguntar se podemos modificar essas propriedades durante o crescimento celular com uma aplicação específica em mente. Resultados preliminares sugerem que a resposta é sim. O potencial tecnológico das nanoestruturas da bio-sílica foi validado experimentalmente com base em técnicas de reprodutibilidade e purificação de amostras. Identificamos rotinas para fornecer cristais fotónicos de alta pureza e concluímos que elas poderiam servir como uma alternativa às técnicas de nanofabricação baseadas em ‘clean rooms’. Mas a manipulação real da nanoestrutura ainda não foi desenvolvida principalmente devido a duas principais limitações: i) uma variação natural da fração de preenchimento dos poros causa resultados óticos diferentes, e ii) como o processo biológico subjacente de biosilicificação é em grande medida desconhecido, atualmente não há métodos disponíveis para a manipulação dos parâmetros estruturais a fim de controlar as propriedades fotónicas. Com o objetivo de controlar os parâmetros de rede das estruturas de bio-sílica de diatomáceas, este projeto abordará estas lacunas do conhecimento através de duas metodologias: 1) Usaremos dopagem in vivo durante o crescimento celular, para alterar o índice de refração do bio -sílica e induzir alteração teratológica da estrutura. 2) Usaremos a bio-funcionalização para fabricar estruturas compostas com funcionalização química e pulverização catódica de metal para induzir propriedades plasmónicas. A nossa abordagem interdisciplinar produzirá resultados em diferentes níveis e campos de investigação. Ao nível biológico fundamental, iremos identificar as implicações potenciais das nanoestruturas fotónicas sobre a captação de energia solar e / ou outras implicações fisiológicas nas diatomáceas. Por outro lado, obteremos materiais nanoestruturados de alta qualidade baseados em matrizes de bio-sílica porosas produzidas durante o crescimento celular e com propriedades fotónicas ad-hoc. Além disso, propomos que, ao compreender as modificações das propriedades fotónicas da bio-sílica durante o crescimento celular, será possível usar as diatomáceas como organismo para biomonitorização natural. O projeto tem assim o potencial de impactar os campos científico e tecnológico, abrindo caminho para a fotónica de base biológica e económica.




CESAM members on this project
João Serôdio
Researcher
Silja Frankenbach
Researcher

CESAM Funding: UIDP/50017/2020 + UIDB/50017/2020 + LA/P/0094/2020