POSS-peptoïde molekules maak self saam in ruitvormige nanokristalle. Krediet: Illustrasie deur Stephanie King | Pacific Northwest National Laboratory
Geïnspireer deur die natuur, het navorsers by Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), saam met medewerkers van Washington State University, 'n nuwe materiaal geskep wat ligenergie kan vasvang. Hierdie materiaal bied 'n hoogs doeltreffende kunsmatige lig-oesstelsel met potensiële toepassings in fotovoltaïese en biobeelding.
Die navorsing verskaf 'n grondslag vir die oorkoming van die moeilike uitdagings verbonde aan die skepping van hiërargiese funksionele organies-anorganiese hibriede materiale. Die natuur bied pragtige voorbeelde van hiërargies gestruktureerde hibriede materiale soos bene en tande. Hierdie materiale vertoon tipies 'n presiese atoomrangskikking wat hulle in staat stel om baie uitsonderlike eienskappe te bereik, soos verhoogde sterkte en taaiheid.
PNNL materiaal wetenskaplike Chun-Long Chen, ooreenstemmende skrywer van hierdie studie, en sy medewerkers het 'n nuwe materiaal geskep wat die strukturele en funksionele kompleksiteit van natuurlike hibriede materiale weerspieël. Hierdie materiaal kombineer die programmeerbaarheid van 'n proteïenagtige sintetiese molekule met die kompleksiteit van 'n silikaat-gebaseerde nanocluster om 'n nuwe klas hoogs robuuste nanokristalle te skep. Hulle het toe hierdie 2D hibriede materiaal geprogrammeer om 'n hoogs doeltreffende kunsmatige lig-oesstelsel te skep.
"Die son is die belangrikste energiebron wat ons het," het Chen gesê. "Ons wou kyk of ons ons hibriede nanokristalle kan programmeer om ligenergie te oes - baie soos natuurlike plante en fotosintetiese bakterieë kan - terwyl ons 'n hoë robuustheid en verwerkbaarheid behaal in sintetiese stelsels." Die resultate van hierdie studie is op 14 Mei 2021 gepubliseer in Wetenskap Voorskotte.
Materiaalwetenskaplike Chun-Long Chen vind inspirasie vir nuwe materiale in natuurlike strukture. Krediet: Foto deur Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Groot drome, klein kristalle
Alhoewel hierdie tipe hiërargies gestruktureerde materiale buitengewoon moeilik is om te skep, het Chen se multidissiplinêre span wetenskaplikes hul kundige kennis gekombineer om 'n volgorde-gedefinieerde molekule te sintetiseer wat in staat is om so 'n rangskikking te vorm. Die navorsers het 'n veranderde proteïenagtige struktuur geskep, 'n peptoïed genoem, en 'n presiese silikaat-gebaseerde hokagtige struktuur (afgekort POSS) aan die een kant daarvan geheg. Hulle het toe gevind dat hulle, onder die regte omstandighede, hierdie molekules kan veroorsaak om self saam te stel in perfek gevormde kristalle van 2D-nanovelle. Dit het nog 'n laag van selmembraanagtige kompleksiteit geskep soortgelyk aan dié wat in natuurlike hiërargiese strukture gesien word, terwyl die hoë stabiliteit en verbeterde meganiese eienskappe van die individuele molekules behoue bly.
"As 'n materiaalwetenskaplike gee die natuur my baie inspirasie," het Chen gesê. “Wanneer ek 'n molekule wil ontwerp om iets spesifiek te doen, soos om op te tree as 'n dwelm afleweringsvoertuig, kan ek byna altyd 'n natuurlike voorbeeld vind om my ontwerpe na te modelleer.”
POSS-peptoïde nanokristalle vorm 'n hoogs doeltreffende lig-oesstelsel wat opwindende lig absorbeer en 'n fluoresserende sein uitstraal. Hierdie stelsel kan gebruik word vir lewendige selbeelding. Krediet: Illustrasie deur Chun-Long Chen en Yang Song | Pacific Northwest National Laboratory
Ontwerp bio-geïnspireerde materiale
Sodra die span hierdie POSS-peptoïde nanokristalle suksesvol geskep het en hul unieke eienskappe, insluitend hoë programmeerbaarheid, gedemonstreer het, het hulle daarna begin om hierdie eienskappe te ontgin. Hulle het die materiaal geprogrammeer om spesiale funksionele groepe op spesifieke plekke en intermolekulêre afstande in te sluit. Omdat hierdie nanokristalle die sterkte en stabiliteit van POSS kombineer met die veranderlikheid van die peptoïede bousteen, was die programmeringsmoontlikhede eindeloos.
Weereens op soek na die natuur vir inspirasie, het die wetenskaplikes 'n stelsel geskep wat ligenergie baie kan opvang soos pigmente wat in plante voorkom. Hulle het pare spesiale "skenker"-molekules en hokagtige strukture bygevoeg wat 'n "aanvaarder"-molekule op presiese plekke binne die nanokristal kon bind. Die skenkermolekules absorbeer lig op 'n spesifieke golflengte en dra die ligenergie oor na die akseptormolekules. Die akseptormolekules straal dan lig op 'n ander golflengte uit. Hierdie nuutgeskepte stelsel het 'n energie-oordragdoeltreffendheid van meer as 96% getoon, wat dit een van die doeltreffendste waterige lig-oesstelsels van sy soort maak wat tot dusver aangemeld is.
Demonstreer die gebruike van POSS-peptoïede vir ligte oes
Om die gebruik van hierdie stelsel ten toon te stel, het die navorsers toe die nanokristalle in lewende menslike selle ingevoeg as 'n bioversoenbare sonde vir lewendige selbeelding. Wanneer lig van 'n sekere kleur op die selle skyn en die aanvaardermolekules teenwoordig is, straal die selle 'n lig van 'n ander kleur uit. Wanneer die aanvaardermolekules afwesig is, word die kleurverandering nie waargeneem nie. Alhoewel die span tot dusver net die bruikbaarheid van hierdie stelsel vir lewendige selbeelding getoon het, laat die verbeterde eienskappe en hoë programmeerbaarheid van hierdie 2D-hibriedmateriaal hulle glo dat dit een van vele toepassings is.
"Alhoewel hierdie navorsing nog in sy vroeë stadiums is, het die unieke strukturele kenmerke en hoë energie-oordrag van POSS-peptoïde 2D nanokristalle die potensiaal om op baie verskillende stelsels toegepas te word, van fotovoltaïese tot fotokatalise," het Chen gesê. Hy en sy kollegas sal voortgaan om weë te ondersoek vir die toepassing van hierdie nuwe bastermateriaal.
Verwysing: "Programmeerbare tweedimensionele nanokristalle saamgestel uit POSS-bevattende peptoïede as doeltreffende kunsmatige lig-oesstelsels" deur Mingming Wang, Yang Song, Shuai Zhang, Xin Zhang, Xiaoli Cai, Yuehe Lin, James J. De Yoreo en Chun-Long Chen, 14 Mei 2021, Wetenskap Voorskotte.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1448
Ander skrywers van hierdie studie sluit in: James De Yoreo, Mingming Wang, Shuai Zhang en Xin Zhang van PNNL en Song Yang en Yuehe Lin van Washington State University. Shuai Zhang, James De Yoreo en Chun-Long Chen is ook verbonde aan die Universiteit van Washington. Hierdie werk is ondersteun deur die US Department of Energy Basiese Energiewetenskappe-program as deel van die Sentrum vir die Wetenskap van Sintese oor Skale, 'n Energiegrensnavorsingsentrum geleë aan die Universiteit van Washington.
