Syntetisere en ny klasse af bio-inspirerede, lysfangende nanomaterialer

Inspireret af naturen, forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), sammen med samarbejdspartnere fra Washington State University, skabt et nyt materiale, der er i stand til at fange lysenergi. Dette materiale giver et meget effektivt kunstigt lys-høstsystem med potentielle anvendelser inden for fotovoltaik og biobilleddannelse.

Forskningen giver et grundlag for at overvinde de vanskelige udfordringer, der er involveret i skabelsen af ​​hierarkiske funktionelle organisk-uorganiske hybridmaterialer. Naturen giver smukke eksempler på hierarkisk strukturerede hybridmaterialer som knogler og tænder. Disse materialer viser typisk et præcist atomarrangement, der giver dem mulighed for at opnå mange exceptionelle egenskaber, såsom øget styrke og sejhed.

PNNL materialeforsker Chun-Long Chen, tilsvarende forfatter til denne undersøgelse, og hans samarbejdspartnere skabte et nyt materiale, der afspejler den strukturelle og funktionelle kompleksitet af naturlige hybridmaterialer. Dette materiale kombinerer programmerbarheden af ​​et proteinlignende syntetisk molekyle med kompleksiteten af ​​en silikatbaseret nanocluster for at skabe en ny klasse af meget robuste nanokrystaller. De programmerede derefter dette 2D-hybridmateriale til at skabe et yderst effektivt kunstigt lys-høstsystem.

"Solen er den vigtigste energikilde, vi har, " sagde Chen. "Vi ønskede at se, om vi kunne programmere vores hybride nanokrystaller til at høste lysenergi - meget ligesom naturlige planter og fotosyntetiske bakterier kan - samtidig med at vi opnår en høj robusthed og bearbejdelighed set i syntetiske systemer." Resultaterne af denne undersøgelse blev offentliggjort 14 maj, 2021, i Videnskabens fremskridt .

Store drømme, små krystaller

Selvom disse typer hierarkisk strukturerede materialer er usædvanligt vanskelige at skabe, Chens tværfaglige team af videnskabsmænd kombinerede deres ekspertviden for at syntetisere et sekvensdefineret molekyle, der er i stand til at danne et sådant arrangement. Forskerne skabte en ændret proteinlignende struktur, kaldet en peptoid, og fastgjort en præcis silikatbaseret burlignende struktur (forkortet POSS) til den ene ende af den. Så fandt de ud af, at under de rette forhold, de kunne få disse molekyler til selv at samle sig til perfekt formede krystaller af 2D nanoark. Dette skabte endnu et lag af cellemembranlignende kompleksitet svarende til den, der ses i naturlige hierarkiske strukturer, samtidig med at de enkelte molekylers høje stabilitet og forbedrede mekaniske egenskaber bibeholdtes.

"Som materialeforsker, naturen giver mig en masse inspiration" sagde Chen. "Når jeg vil designe et molekyle til at gøre noget specifikt, såsom at fungere som et lægemiddelleveringsmiddel, Jeg kan næsten altid finde et naturligt eksempel at modellere mine designs efter."

Design af bio-inspirerede materialer

Når holdet med succes skabte disse POSS-peptoid nanokrystaller og demonstrerede deres unikke egenskaber, herunder høj programmerbarhed, de satte sig så for at udnytte disse egenskaber. De programmerede materialet til at inkludere specielle funktionelle grupper på bestemte steder og intermolekylære afstande. Fordi disse nanokrystaller kombinerer styrken og stabiliteten af ​​POSS med variabiliteten af ​​den peptoide byggesten, programmeringsmulighederne var uendelige.

Endnu en gang søger naturen for inspiration, forskerne skabte et system, der kunne fange lysenergi meget på samme måde som pigmenter, der findes i planter. De tilføjede par af specielle "donor"-molekyler og burlignende strukturer, der kunne binde et "acceptor"-molekyle på præcise steder i nanokrystallet. Donormolekylerne absorberer lys ved en bestemt bølgelængde og overfører lysenergien til acceptormolekylerne. Acceptormolekylerne udsender derefter lys med en anden bølgelængde. Dette nyoprettede system viste en energioverførselseffektivitet på over 96 %, hvilket gør det til et af de mest effektive vandige lys-høstsystemer af sin art, der hidtil er rapporteret.

Demonstrer anvendelsen af ​​POSS-peptoider til let høst

For at vise brugen af ​​dette system, forskerne indsatte derefter nanokrystallerne i levende menneskelige celler som en biokompatibel sonde til billeddannelse af levende celler. Når lys af en bestemt farve skinner på cellerne, og acceptormolekylerne er til stede, cellerne udsender et lys af en anden farve. Når acceptormolekylerne er fraværende, farveændringen observeres ikke. Selvom holdet kun har demonstreret nytten af ​​dette system til levende celle-billeddannelse indtil videre, de forbedrede egenskaber og høje programmerbarhed af dette 2D hybridmateriale får dem til at tro, at dette er en af ​​mange applikationer.

"Selvom denne forskning stadig er i sin tidlige fase, de unikke strukturelle egenskaber og høj energioverførsel af POSS-peptoid 2D nanokrystaller har potentialet til at blive anvendt på mange forskellige systemer, fra fotovoltaik til fotokatalyse, " sagde Chen. Han og hans kolleger vil fortsætte med at udforske mulighederne for anvendelse af dette nye hybridmateriale.