جزيئات POSS-peptoid تتجمع ذاتيًا في بلورات نانوية على شكل معيني. الائتمان: رسم توضيحي لستيفاني كينج | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
مستوحاة من الطبيعة ، ابتكر الباحثون في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) ، جنبًا إلى جنب مع متعاونين من جامعة ولاية واشنطن ، مادة جديدة قادرة على التقاط الطاقة الضوئية. توفر هذه المادة نظامًا عالي الكفاءة لحصاد الضوء الاصطناعي مع تطبيقات محتملة في الخلايا الكهروضوئية والتصوير الحيوي.
يوفر البحث أساسًا للتغلب على التحديات الصعبة التي ينطوي عليها إنشاء مواد هرمية وظيفية عضوية وغير عضوية. تقدم الطبيعة أمثلة جميلة على مواد هجينة ذات هيكل هرمي مثل العظام والأسنان. تعرض هذه المواد عادةً ترتيبًا ذريًا دقيقًا يسمح لها بتحقيق العديد من الخصائص الاستثنائية ، مثل زيادة القوة والمتانة.
ابتكر عالم مواد PNNL Chun-Long Chen ، المؤلف المقابل لهذه الدراسة ، ومعاونوه مادة جديدة تعكس التعقيد الهيكلي والوظيفي للمواد الطبيعية الهجينة. تجمع هذه المادة بين قابلية برمجة جزيء اصطناعي شبيه بالبروتين مع تعقيد الكتلة النانوية القائمة على السيليكات لإنشاء فئة جديدة من البلورات النانوية شديدة القوة. ثم قاموا ببرمجة هذه المادة الهجينة ثنائية الأبعاد لإنشاء نظام حصاد ضوئي صناعي عالي الكفاءة.
قال تشين: "الشمس هي أهم مصدر للطاقة لدينا". "أردنا أن نرى ما إذا كان بإمكاننا برمجة بلوراتنا النانوية الهجينة لتجميع الطاقة الضوئية - تمامًا مثل النباتات الطبيعية والبكتيريا التي تعمل بالتمثيل الضوئي - مع تحقيق قوة عالية وإمكانية معالجة في الأنظمة الاصطناعية." تم نشر نتائج هذه الدراسة في 14 مايو 2021 ، في علم السلف.
يجد عالم المواد Chun-Long Chen مصدر إلهام لمواد جديدة في الهياكل الطبيعية. الائتمان: تصوير أندريا ستار | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
أحلام كبيرة ، بلورات صغيرة
على الرغم من صعوبة إنشاء هذه الأنواع من المواد ذات الهيكل الهرمي بشكل استثنائي ، إلا أن فريق تشين متعدد التخصصات من العلماء جمع بين معرفتهم الخبيرة لتجميع جزيء محدد التسلسل قادر على تكوين مثل هذا الترتيب. ابتكر الباحثون بنية متغيرة شبيهة بالبروتين ، تسمى ببتويد ، وربطوا هيكلًا دقيقًا يشبه القفص يعتمد على السيليكات (يُختصر POSS) بأحد طرفيه. ثم اكتشفوا أنه في ظل الظروف المناسبة ، يمكنهم حث هذه الجزيئات على التجميع الذاتي في بلورات ذات شكل مثالي من صفائح نانوية ثنائية الأبعاد. أدى ذلك إلى إنشاء طبقة أخرى من التعقيد الشبيه بغشاء الخلية مماثلة لتلك التي تظهر في الهياكل الهرمية الطبيعية مع الحفاظ على الثبات العالي والخصائص الميكانيكية المحسنة للجزيئات الفردية.
قال تشين: "باعتباري عالم مواد، توفر لي الطبيعة الكثير من الإلهام". "كلما أردت تصميم جزيء للقيام بشيء محدد، مثل العمل كجزيء عقار مركبة التوصيل، يمكنني دائمًا العثور على مثال طبيعي لأصمم تصميماتي وفقًا له.
تشكل البلورات النانوية POSS-peptoid نظامًا عالي الكفاءة لحصاد الضوء يمتص الضوء المثير ويصدر إشارة الفلورسنت. يمكن استخدام هذا النظام لتصوير الخلايا الحية. الائتمان: رسم توضيحي لـ Chun-Long Chen و Yang Song | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
تصميم مواد مستوحاة من الحيوية
بمجرد أن نجح الفريق في إنشاء هذه البلورات النانوية POSS-peptoid وأظهر خصائصها الفريدة بما في ذلك قابلية البرمجة العالية ، شرعوا بعد ذلك في استغلال هذه الخصائص. قاموا ببرمجة المادة لتشمل مجموعات وظيفية خاصة في مواقع محددة ومسافات بين الجزيئات. نظرًا لأن هذه البلورات النانوية تجمع بين قوة واستقرار POSS مع تنوع لبنة البناء الببتويد ، كانت إمكانيات البرمجة لا حصر لها.
يبحث العلماء مرة أخرى عن الإلهام في الطبيعة ، حيث أنشأ العلماء نظامًا يمكنه التقاط الطاقة الضوئية كثيرًا بالطريقة التي تعمل بها الأصباغ الموجودة في النباتات. لقد أضافوا أزواجًا من الجزيئات "المانحة" الخاصة والهياكل الشبيهة بالقفص التي يمكن أن تربط الجزيء "المستقبِل" في مواقع محددة داخل البلورة النانوية. تمتص الجزيئات المانحة الضوء بطول موجي محدد وتنقل الطاقة الضوئية إلى الجزيئات المستقبلة. ثم تبعث الجزيئات المستقبلة الضوء بطول موجة مختلف. أظهر هذا النظام الذي تم إنشاؤه حديثًا كفاءة نقل طاقة تزيد عن 96٪ ، مما يجعله أحد أكثر أنظمة حصاد الضوء المائي كفاءة من نوعها التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن.
توضيح استخدامات POSS-peptoids للحصاد الخفيف
لعرض استخدام هذا النظام ، قام الباحثون بعد ذلك بإدخال البلورات النانوية في الخلايا البشرية الحية كمسبار متوافق حيويًا لتصوير الخلايا الحية. عندما يضيء ضوء لون معين على الخلايا وتوجد جزيئات المستقبل ، تصدر الخلايا ضوءًا بلون مختلف. عندما تغيب جزيئات المستقبل ، لا يلاحظ تغير اللون. على الرغم من أن الفريق أظهر فقط فائدة هذا النظام لتصوير الخلايا الحية حتى الآن ، إلا أن الخصائص المحسنة وقابلية البرمجة العالية لهذه المادة الهجينة ثنائية الأبعاد تجعلهم يعتقدون أن هذا هو أحد التطبيقات العديدة.
قال تشين: "على الرغم من أن هذا البحث لا يزال في مراحله الأولى ، إلا أن السمات الهيكلية الفريدة ونقل الطاقة العالية للبلورات النانوية ثنائية الأبعاد POSS-peptoid لديها القدرة على تطبيقها على العديد من الأنظمة المختلفة ، من الخلايا الكهروضوئية إلى التحفيز الضوئي". وسيواصل هو وزملاؤه استكشاف سبل تطبيق هذه المادة الهجينة الجديدة.
المرجع: "بلورات نانوية ثنائية الأبعاد قابلة للبرمجة مُجمَّعة من الببتويدات المحتوية على POSS كنظم فعالة لحصاد الضوء الاصطناعي" بواسطة Mingming Wang و Yang Song و Shuai Zhang و Xin Zhang و Xiaoli Cai و Yuehe Lin و James J. De Yoreo و Chun-Long تشين ، 14 مايو 2021 ، علم السلف.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1448
من بين المؤلفين الآخرين لهذه الدراسة: جيمس دي يوريو ، ومينمينج وانج ، وشواي زانج ، وشين زانج من PNNL ، وسونج يانج ويويهي لين من جامعة ولاية واشنطن. شواي زانغ وجيمس دي يوريو وتشون لونغ تشن ينتمون أيضًا إلى جامعة واشنطن. تم دعم هذا العمل من قبل برنامج علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية كجزء من مركز علوم التوليف عبر المقاييس ، وهو مركز أبحاث الطاقة الحدودية الموجود في جامعة واشنطن.
