Videnskab ved grænsefladen:Bioinspirerede materialer afslører nyttige egenskaber

Designet af sofistikerede nye materialer gennemgår kraftige teknologiske fremskridt. Innovationer inden for materialevidenskab lover transformative forbedringer i industrier lige fra energi til fremstilling.

I en ny undersøgelse, forskere ved ASU's Biodesign Institute og deres kolleger udforsker nye materialer med fysiske egenskaber, der kan skræddersyes til at passe til særlige behov. Værket er inspireret af mekanismer i naturen, hvor den komplekse tredimensionelle struktur af omgivende proteiner påvirker de elektrokemiske egenskaber af metaller i deres kerne.

Fremskridtene kan have brede implikationer for designet af mange nye innovationer, der er nyttige til halvlederteknologi, bæredygtig energi og industriel produktion.

Materiel verden

Hovedforfatter Brian Wadsworth og hans samarbejdspartnere beskriver teknikker til at immobilisere metalkomplekser på fysiske understøtninger, der er både gennemsigtige og ledende. De resulterende hybridmaterialer tillader syntetisk kontrol over konfigurationen, giver forskere mulighed for at regulere pendlingen af ​​elektroner i kompositmaterialet.

Præcis kontrol over materialets ydeevne kan opnås ved ændring af materialegrænseflader. Ifølge den tilsvarende forfatter Gary Moore, "hver gang to ting rører hinanden, de danner en grænseflade. Materialegrænseflader er centrale i vores arbejde." Det er i disse regioner, at modifikationer designet til at justere et materiales fysiske egenskaber finder sted.

Den nuværende undersøgelse udvider gruppens tidligere indsats med halvledermaterialer, som involverede opsamling og konvertering af solenergi til at producere brændstoffer. At opnå dette kræver evnen til at kontrollere reaktioner og kemiske enheder, der øger deres hastighed, kendt som katalysatorer. "Vores brug af molekyler på overflader kan have en bred vifte af anvendelser, inklusive konvertering af solenergi, katalyse, og kemisk fremstilling via grøn kemi, " siger Moore.

Ud over Wadsworth og Moore, begge forskere i Biodesign Center for Applied Structural Discovery, teamet omfatter Diana Khusnutdinova og Jennifer M. Urbine, (tidligere med Biodesign Institute og i øjeblikket hos Intel og doktorgradsprogrammet ved UC Irvine, henholdsvis). Ahlea S. Reyes, som begyndte at arbejde i Moore-laboratoriet som gymnasieelev og i øjeblikket er bachelor på ASU, også bidraget til den nye undersøgelse.

Forskningen pryder forsiden af ​​det seneste nummer af tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader .

Kontrolcenter

Katalysatorer spiller en afgørende rolle i processer, der involverer omdannelse af energi og er vigtige i både biologi og teknologi. Den nuværende undersøgelse giver værdifuld information, der kan føre til fremskridt i effektivitet, pålidelighed og skalerbarhed af bæredygtige energiløsninger. Den tiltagende energikrise sætter bestræbelserne på at forstå nye materialers elektrokemi på hurtige vej og åbner vidtrækkende muligheder for nye teknologier.

Konventionelle katalysatorer som dem, der anvendes i industrien, er normalt baseret på todimensionelle overflader. Her, reaktanter bringes sammen for at fremstille et ønsket produkt. Katalysatorer fremskynder hastigheden af ​​sådanne reaktioner. En af de mest grundlæggende transformationer er brintproduktion, hvor elektroner og protoner bringes sammen for at danne molekylært brint. I dette tilfælde, platin er almindeligt anvendt som katalysator.

Natur, imidlertid, har fundet et billigere og mere effektivt middel til brintproduktion. "Biologi bruger ikke todimensionelle platinplader, " forklarer Moore. I stedet, livsformer udfører denne transformation ved hjælp af specialiserede enzymer. "Enzymer indeholder ofte metalcentre, hvor reaktiviteten forekommer, men deres specificitet kommer fra deres unikke tredimensionelle strukturer. "

Deres unikke tilgang resulterer i materialer inspireret af sådanne tredimensionelle arkitekturer for at guide reaktioner, der samler flere substrater - stoffer, som katalysatorer virker på. At skabe tredimensionelle miljøer for blødt stof, svarende til dem, der findes i proteiner, giver forskere mulighed for at anvende finkornet kontrol af disse reaktioner i både rum og tid.

"Brian har udarbejdet en metode til fastgørelse af relativt tynde molekylære belægninger, herunder polymerer, på en elektrodeoverflade, " siger Moore. "Nu har disse elektrodeoverflader tredimensionelle molekylære miljøer, hvor vi målrettet kan deponere et metalcenter." Disse metalcentre er steder for såkaldte reduktionsoxidations- eller redoxreaktioner, hvor elektroner vindes eller tabes.

Overvinde metaltræthed

Metoden hjælper med at overvinde en af ​​de primære begrænsende faktorer ved design af effektive katalysatorer. Konventionelle katalysatorer bruger typisk sjældne jordarters metaller som platin, hvilken, som deres navn antyder, er sparsomme og meget dyre. I stedet, ved at skabe et tredimensionelt hybridmateriale bestående af strukturelt veldefinerede homogene komponenter, der er bundet til en heterogen støttestruktur, det syntetiske materiale kan fremstilles med langt billigere og mere jordrige metaller som kobolt (brugt i den aktuelle undersøgelse). Forfatterne understreger, at disse innovationer ikke kun kan reducere omkostningerne ved nye materialer, men også forbedre deres effektivitet og stabilitet. "Igen, det er den bioinspirerede del af vores vision for at udvikle disse molekylære belægninger, " siger Moore.

For at designe det nye materiale, Wadsworth bruger nogle af de sofistikerede tilknytningskemier, der er udviklet i tidligere arbejde med lysopsamlende halvledere. Eksperimenter beskrevet i det nye papir undersøger virkningerne af at anvende disse kemier på overfladerne af ledende materialer. Dette gør det muligt for forskerne direkte at undersøge de elektrokemiske egenskaber af de indlejrede metalcentre. "Vi får mekanistisk information om, hvordan det bløde materiale eller proteinlignende miljøer styrer kemien, der forekommer i metalcentret, " siger Wadsworth.

Når først de metalholdige komplekser er bundet til elektrodeoverfladen, det omgivende molekylære miljø kan subtilt modificeres for at ændre redox-responserne. "Enhver kemisk transformation involverer ændringer i struktur og energi, der er forbundet med et kemisk potentiale, "Siger Moore. "De belægninger, der er rapporteret i dette arbejde, gør det muligt for overfladeimmobiliserede metalcentre at operere på tværs af et relativt stort spænd af potentialer til anvendelser i en række kemiske processer og nye teknologier."

Katalyserende forskning

Nogle af disse nye ideer blev for nylig diskuteret på Winter Inter-American Photochemical Society (I-APS) konferencen, som fandt sted i Sarasota, Florida, 2-5 januar, 2020. Den livlige konference blev arrangeret af Moore og hans kollega Elizabeth Young fra Lehigh University og samlede førende videnskabsmænd inden for alle områder af de fotokemiske videnskaber, fra Nord- og Sydamerika.

Til mødet, Wadsworth præsenterede en plakat med titlen "Bridging Concepts between Heterogeneous-, Homogen-, og Bio-Catalysis to Model Photoelectrosynthetic Reactions" og modtog en pris støttet af tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader , (det samme tidsskrift med den aktuelle forskningsforside).

Forskerne mener, at en af ​​styrkerne ved bioinspirerede og molekylærbaserede strategier er mangfoldigheden i struktur og funktion, som denne tilgang muliggør. "Mangfoldighed bringer øget kreativitet og fremmer innovation. Denne idé udnyttes ikke kun i de materialer, vi konstruerer, men også i teamet af forskere, der guider den igangværende udvikling af vores videnskab, " siger Moore. "Det nuværende arbejde indeholder bidrag fra gymnasiet, bachelor, bestå, og kandidatstuderende fra hele verden. "