Forskere er nu et skridt tættere på kontrolleret konstruktion af nanokatalysatorer

(PhysOrg.com) - I øjeblikket omkring 20 procent af verdens industrielle produktion er baseret på katalysatorer - molekyler, der kan fremskynde tempoet i kemiske reaktioner med milliardfaktorer. Olie, lægemidler, plast og utallige andre produkter fremstilles af katalysatorer.

Mange håber at gøre de nuværende katalysatorer mere effektive, hvilket resulterer i mindre energiforbrug og mindre forurening. Meget aktive og selektive nanokatalysatorer, for eksempel, kan bruges effektivt i bestræbelser på at nedbryde forurening, skabe brintceller, lagre brint og syntetisere fine kemikalier. Udfordringen til dato har været at udvikle en metode til fremstilling af nanokatalysatorer i en kontrolleret, forudsigelig måde.

I et skridt i denne retning, Yu Huang, en adjunkt i materialevidenskab og teknik ved UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, og hendes forskerhold har foreslået og demonstreret en ny tilgang til fremstilling af nanokrystaller med forudsigelige former ved at anvende overfladeaktive stoffer, biomolekyler, der kan binde selektivt til visse facetter af krystallernes udsatte overflader.

Deres nye undersøgelse kan findes online i tidsskriftet Naturkemi .

På nanoskala, materialernes fysiske og kemiske egenskaber afhænger af materialernes størrelse og form. Det endelige mål har været at rationelt konstruere materialer for at opnå programmerbare strukturer og forudsigelige egenskaber, og derved frembringe de ønskede funktioner. Men formede nanokrystaller syntetiseres stadig generelt ved forsøg og fejl, brug af uspecifikke molekyler som overfladeaktive stoffer-et resultat af manglende evne til at finde passende molekyler til at kontrollere krystaldannelse.

Huangs teams innovative innovative arbejde kan ændre det, potentielt fører til evnen til rationelt at producere nanokatalysatorer med ønskede former og, derfor, katalytiske egenskaber.

"I vores undersøgelse, vi var i stand til at identificere specifikke biomolekyler - peptidsekvenser, i vores tilfælde - som kan genkende en ønsket krystaloverflade og producere nanokrystaller eksponeret med en bestemt overflade for at kontrollere formen, "sagde Chin-Yi Chiu, en UCLA Engineering -kandidatstuderende og hovedforfatter af undersøgelsen.

"Facetspecifikke biomolekyler kan bruges til at styre væksten af ​​nanokrystaller, og vigtigst af alt, nu kan vi gøre det på en forudsigelig måde, "sagde Huang, seniorforfatter af undersøgelsen. "Dette er stadig et første skridt, men vi har overvundet udfordringerne ved at finde de mest specifikke og selektive peptidsekvenser gennem en rationel udvælgelsesproces. "

Huangs team opnåede dette ved at bruge et fagbibliotek, der genererede en pulje af peptidsekvenser. Holdet var derefter i stand til at identificere selektiviteten af ​​peptidsekvenser på forskellige krystaloverflader. Det næste trin, siger forskerne, er at finde ud af, hvad der præcist sker på grænsefladen og for at kunne beskrive karakteriseringerne af grænsefladen.

"Vi kender ikke de molekylære detaljer endnu - det er ligesom den hellige gral af molekylær biomimetik, "Sagde Huang." Tag katalysatoren, for eksempel. Hvis vi kan forudsige den syntetiserede katalysator for kun én overflade, det kunne have meget mere forbedret aktivitet og selektivitet. Vi er stadig i den indledende fase af, hvad vi virkelig vil gøre, hvilket er at se, om vi i sidste ende kan programmere syntesen af ​​materialestrukturer. "

"Det har altid været en personlig interesse at lære af den naturlige evolutionære udvælgelsesproces og anvende den på forskning, "Chiu sagde." Det er især tilfredsstillende at kunne konstruere en rationel udvælgelsesproces for nanoskala materialer til at skabe nanokrystaller med ønskede former. "