POSS-peptoidní molekuly se samy skládají do nanokrystalů kosodélníkového tvaru. Kredit: Ilustrace Stephanie King | Národní laboratoř severozápadního Pacifiku
Vědci z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) inspirováni přírodou vytvořili spolu se spolupracovníky z Washingtonské státní univerzity nový materiál schopný zachytit světelnou energii. Tento materiál poskytuje vysoce účinný systém umělého sběru světla s potenciálními aplikacemi ve fotovoltaice a biozobrazování.
Výzkum poskytuje základ pro překonání obtížných výzev spojených s vytvářením hierarchicky funkčních organicko-anorganických hybridních materiálů. Příroda poskytuje krásné příklady hierarchicky strukturovaných hybridních materiálů, jako jsou kosti a zuby. Tyto materiály typicky předvádějí přesné atomové uspořádání, které jim umožňuje dosáhnout mnoha výjimečných vlastností, jako je zvýšená pevnost a houževnatost.
PNNL materiálový vědec Chun-Long Chen, odpovídající autor této studie, a jeho spolupracovníci vytvořili nový materiál, který odráží strukturální a funkční složitost přírodních hybridních materiálů. Tento materiál kombinuje programovatelnost syntetické molekuly podobné proteinu se složitostí nanoklastru na bázi silikátu a vytváří novou třídu vysoce odolných nanokrystalů. Poté naprogramovali tento 2D hybridní materiál, aby vytvořili vysoce účinný systém umělého sběru světla.
"Slunce je nejdůležitější zdroj energie, který máme," řekl Chen. „Chtěli jsme zjistit, zda dokážeme naprogramovat naše hybridní nanokrystaly tak, aby sklízely světelnou energii – podobně jako to dokážou přírodní rostliny a fotosyntetické bakterie – a přitom dosáhnout vysoké odolnosti a zpracovatelnosti, jaké lze vidět u syntetických systémů.“ Výsledky této studie byly zveřejněny 14. května 2021 v Věda Zálohy.
Materiálový vědec Chun-Long Chen nachází inspiraci pro nové materiály v přírodních strukturách. Kredit: Foto Andrea Starr | Národní laboratoř severozápadního Pacifiku
Velké sny, drobné krystaly
I když je vytvoření těchto typů hierarchicky strukturovaných materiálů mimořádně obtížné, Chenův multidisciplinární tým vědců spojil své odborné znalosti, aby syntetizoval sekvenčně definovanou molekulu schopnou vytvořit takové uspořádání. Vědci vytvořili pozměněnou strukturu podobnou proteinu, nazývanou peptoid, a na jeden její konec připojili přesnou strukturu podobnou kleci na silikátové bázi (zkráceně POSS). Poté zjistili, že za správných podmínek mohou přimět tyto molekuly, aby se samy sestavily do dokonale tvarovaných krystalů 2D nanovrstvy. To vytvořilo další vrstvu složitosti podobné buněčné membráně podobné té, kterou lze vidět v přirozených hierarchických strukturách, při zachování vysoké stability a zlepšených mechanických vlastností jednotlivých molekul.
„Jako materiálovému vědci mi příroda poskytuje spoustu inspirace,“ řekl Chen. "Kdykoli chci navrhnout molekulu, která by dělala něco konkrétního, například fungovala jako a droga dodávkové vozidlo, téměř vždy najdu přirozený příklad, podle kterého mohu modelovat své návrhy.“
POSS-peptoidní nanokrystaly tvoří vysoce účinný systém sběru světla, který absorbuje vzrušující světlo a vysílá fluorescenční signál. Tento systém lze použít pro zobrazování živých buněk. Kredit: Ilustrace Chun-Long Chen a Yang Song | Národní laboratoř severozápadního Pacifiku
Navrhování bio-inspirovaných materiálů
Jakmile tým úspěšně vytvořil tyto POSS-peptoidní nanokrystaly a prokázal jejich jedinečné vlastnosti včetně vysoké programovatelnosti, vydal se tyto vlastnosti využít. Naprogramovali materiál tak, aby zahrnoval speciální funkční skupiny na konkrétních místech a mezimolekulárních vzdálenostech. Protože tyto nanokrystaly kombinují sílu a stabilitu POSS s variabilitou peptoidního stavebního bloku, možnosti programování byly nekonečné.
Vědci opět hledali inspiraci v přírodě a vytvořili systém, který by mohl zachytit světelnou energii podobně jako pigmenty nalezené v rostlinách. Přidali páry speciálních „dárcovských“ molekul a klecových struktur, které by mohly vázat „akceptorovou“ molekulu na přesných místech v nanokrystalu. Donorové molekuly absorbují světlo o specifické vlnové délce a přenášejí světelnou energii na akceptorové molekuly. Akceptorové molekuly pak emitují světlo o jiné vlnové délce. Tento nově vytvořený systém vykazoval účinnost přenosu energie více než 96 %, což z něj činí jeden z nejúčinnějších systémů vodního záření svého druhu, jaký byl dosud popsán.
Demonstrace použití POSS-peptoidů pro světelnou sklizeň
Aby vědci ukázali použití tohoto systému, vložili nanokrystaly do živých lidských buněk jako biokompatibilní sondu pro zobrazování živých buněk. Když na buňky svítí světlo určité barvy a jsou přítomny akceptorové molekuly, buňky vyzařují světlo jiné barvy. Pokud akceptorové molekuly chybí, změna barvy není pozorována. Přestože tým zatím prokázal užitečnost tohoto systému pro zobrazování živých buněk, vylepšené vlastnosti a vysoká programovatelnost tohoto 2D hybridního materiálu je vede k přesvědčení, že jde o jednu z mnoha aplikací.
"Ačkoli je tento výzkum stále v raných fázích, jedinečné strukturální rysy a vysoký přenos energie POSS-peptoidních 2D nanokrystalů mají potenciál být aplikovány na mnoho různých systémů, od fotovoltaiky po fotokatalýzu," řekl Chen. On a jeho kolegové budou nadále zkoumat možnosti použití tohoto nového hybridního materiálu.
Reference: „Programovatelné dvourozměrné nanokrystaly sestavené z peptoidů obsahujících POSS jako účinné systémy umělého sběru světla“ od Mingming Wang, Yang Song, Shuai Zhang, Xin Zhang, Xiaoli Cai, Yuehe Lin, James J. De Yoreo a Chun-Long Chen, 14. května 2021, Věda Zálohy.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1448
Mezi další autory této studie patří: James De Yoreo, Mingming Wang, Shuai Zhang a Xin Zhang z PNNL a Song Yang a Yuehe Lin z Washington State University. Shuai Zhang, James De Yoreo a Chun-Long Chen jsou také spojeni s University of Washington. Tato práce byla podporována programem Základních energetických věd Ministerstva energetiky USA jako součást Centra pro vědu o syntéze napříč měřítky, výzkumného centra na hranici energetiky umístěného na University of Washington.
