Forståelse af nanokatalysatortaler kunne bedre informere design

Enzymer er naturens bedste katalysatorer på nanoskala, og viser ofte det, der er kendt som katalytisk allosteri – dvs. reaktioner på et sted, der påvirker reaktioner på et andet sted, typisk et par nanometer væk, uden direkte interaktion mellem reaktanterne.

Nanopartikler af forskellige materialer, såsom metal, kan også fungere som katalysatorer for kemiske omdannelser på deres egne overflader, og deres overfladeaktive steder kan kobles elektronisk. Peng Chen, den Peter J.W. Debye professor i kemi ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi, tager sin baggrund i enzymstudier og anvender den til sit andet forskningsspeciale:enkeltmolekylekatalyse.

Hans gruppe har udgivet et papir i Naturkemi , kulminationen på studieår, der opstiller en konceptuel ramme for at forstå, hvordan en nanokatalysatorpartikel fungerer. Arbejdet kunne hjælpe med at informere om bedre design af syntetiske nanokatalysatorer hen ad vejen.

"Co-operative Communication Within and Between Single Nanocatalysts" blev udgivet 26. marts. Hovedforfattere er tidligere kandidatstuderende Ningmu Zou og Guanqun Chen, og tidligere postdoc-forsker Xiaochun Zhou.

I betragtning af hans enzymbaggrund, Chen undrede sig:Kan reaktioner på forskellige overfladesteder på den samme nanokatalysator kommunikere med hinanden, ligner allosteriske enzymer?

"Vi havde allerede udviklet en måde at kortlægge katalytiske reaktioner på en enkelt katalysator, på en spatiotemporalt [rum og tid] løst måde, "sagde Chen, hvis gruppe udgav en artikel om emnet sidste år. "For hver reaktion, der sker på en katalysatorpartikel, vi ved, hvor det skete, og hvornår det skete. Så kom jeg med spørgsmålet om, hvorvidt reaktioner forskellige steder, på samme katalysator, kan tale med hinanden."

Ved hjælp af enkeltmolekyle fluorescensmikroskopi, Chen og gruppen fandt ud af, at katalytiske reaktioner på en enkelt nanoskala katalysator – i dette tilfælde, nanopartikler af guld og palladium - kan faktisk kommunikere med hinanden, sandsynligvis via bevægelse af positive ladningsbærere kendt som huller. Gruppen testede dette på to typer nanokatalysatormorfologier, og tre forskellige typer katalytiske transformationer.

De fandt også ud af, at reaktioner på separate guldnanokatalysatorer kommunikerer med hinanden, over endnu større afstande, gennem diffusion af negativt ladede reaktionsprodukter. Denne kommunikation er analog med "spillover"-effekten i overfladevidenskab, sagde Chen.

Begge disse repræsenterer første af deres slags observationer, der involverer individuelle nanokatalysatorer.

"Dette giver en ny form for konceptuelle rammer for at forstå, hvordan en nanoskala katalysatorpartikel fungerer, " sagde Chen.

Selvom anvendelsen af ​​disse observationer på den virkelige udvikling af ikke-biologiske nanokatalysatorer stadig er langt ind i fremtiden, denne opdagelse skubber grundlæggende videnskab mod dette mål, Sagde Chen. "Hvis man kan udnytte det vigtige træk ved enzymer i en ikkebiologisk katalysator, måske er der en måde at forbedre katalysatorens funktion på, " han sagde.