Las moléculas de POSS-peptoides se autoensamblan en nanocristales de forma romboide. Crédito: Ilustración de Stephanie King | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Inspirándose en la naturaleza, los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Washington, crearon un material novedoso capaz de capturar energía luminosa. Este material proporciona un sistema de captación de luz artificial altamente eficiente con aplicaciones potenciales en energía fotovoltaica y bioimagen.
La investigación proporciona una base para superar los difíciles desafíos involucrados en la creación de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos funcionales jerárquicos. La naturaleza proporciona hermosos ejemplos de materiales híbridos estructurados jerárquicamente, como huesos y dientes. Estos materiales suelen mostrar una disposición atómica precisa que les permite lograr muchas propiedades excepcionales, como una mayor resistencia y tenacidad.
El científico de materiales de PNNL, Chun-Long Chen, autor correspondiente de este estudio, y sus colaboradores crearon un nuevo material que refleja la complejidad estructural y funcional de los materiales híbridos naturales. Este material combina la capacidad de programación de una molécula sintética similar a una proteína con la complejidad de un nanocluster a base de silicato para crear una nueva clase de nanocristales altamente robustos. Luego programaron este material híbrido 2D para crear un sistema de recolección de luz artificial altamente eficiente.
“El sol es la fuente de energía más importante que tenemos”, dijo Chen. “Queríamos ver si podíamos programar nuestros nanocristales híbridos para recolectar energía lumínica, al igual que las plantas naturales y las bacterias fotosintéticas, al tiempo que alcanzamos una alta robustez y procesabilidad que se ven en los sistemas sintéticos”. Los resultados de este estudio se publicaron el 14 de mayo de 2021 en Science Advances.
El científico de materiales Chun-Long Chen encuentra inspiración para nuevos materiales en estructuras naturales. Crédito: Foto de Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Grandes sueños, pequeños cristales
Aunque estos tipos de materiales estructurados jerárquicamente son excepcionalmente difíciles de crear, el equipo multidisciplinario de científicos de Chen combinó su conocimiento experto para sintetizar una molécula de secuencia definida capaz de formar tal disposición. Los investigadores crearon una estructura similar a una proteína alterada, llamada peptoide, y unieron una estructura similar a una jaula basada en silicato precisa (abreviado POSS) a un extremo de la misma. Luego descubrieron que, en las condiciones adecuadas, podían inducir a estas moléculas a autoensamblarse en cristales perfectamente formados de nanohojas 2D. Esto creó otra capa de complejidad similar a una membrana celular similar a la que se ve en las estructuras jerárquicas naturales, al tiempo que conserva la alta estabilidad y las propiedades mecánicas mejoradas de las moléculas individuales.
“Como científico de materiales, la naturaleza me brinda mucha inspiración”, dijo Chen. “Cada vez que quiero diseñar una molécula para hacer algo específico, como actuar como un droga vehículo de reparto, casi siempre puedo encontrar un ejemplo natural para modelar mis diseños”.
Los nanocristales peptoides POSS forman un sistema de recolección de luz altamente eficiente que absorbe la luz excitante y emite una señal fluorescente. Este sistema se puede utilizar para la obtención de imágenes de células vivas. Crédito: Ilustración de Chun-Long Chen y Yang Song | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Diseñando materiales bioinspirados
Una vez que el equipo creó con éxito estos nanocristales peptoides POSS y demostró sus propiedades únicas, incluida una alta capacidad de programación, se dispuso a explotar estas propiedades. Programaron el material para incluir grupos funcionales especiales en ubicaciones específicas y distancias intermoleculares. Debido a que estos nanocristales combinan la fuerza y la estabilidad de POSS con la variabilidad del bloque de construcción peptoide, las posibilidades de programación eran infinitas.
Una vez más, buscando inspiración en la naturaleza, los científicos crearon un sistema que podía capturar la energía de la luz de la misma forma que lo hacen los pigmentos que se encuentran en las plantas. Agregaron pares de moléculas "donantes" especiales y estructuras en forma de jaula que podrían unir una molécula "aceptora" en ubicaciones precisas dentro del nanocristal. Las moléculas donantes absorben luz a una longitud de onda específica y transfieren la energía luminosa a las moléculas aceptoras. Las moléculas aceptoras luego emiten luz en una longitud de onda diferente. Este sistema recién creado mostró una eficiencia de transferencia de energía de más del 96%, lo que lo convierte en uno de los sistemas de captación de luz acuosos más eficientes de su tipo hasta ahora.
Demostrando los usos de POSS-peptoides para la cosecha ligera
Para mostrar el uso de este sistema, los investigadores luego insertaron los nanocristales en células humanas vivas como una sonda biocompatible para imágenes de células vivas. Cuando la luz de un color determinado brilla sobre las células y las moléculas aceptoras están presentes, las células emiten una luz de un color diferente. Cuando las moléculas aceptoras están ausentes, no se observa el cambio de color. Aunque el equipo solo demostró la utilidad de este sistema para la obtención de imágenes de células vivas hasta ahora, las propiedades mejoradas y la alta programabilidad de este material híbrido 2D les llevan a creer que esta es una de las muchas aplicaciones.
“Aunque esta investigación aún se encuentra en sus primeras etapas, las características estructurales únicas y la alta transferencia de energía de los nanocristales 2D peptoides POSS tienen el potencial de aplicarse a muchos sistemas diferentes, desde la fotovoltaica hasta la fotocatálisis”, dijo Chen. Él y sus colegas continuarán explorando vías para la aplicación de este nuevo material híbrido.
Referencia: "Nanocristales bidimensionales programables ensamblados a partir de peptoides que contienen POSS como sistemas eficientes de captación de luz artificial" por Mingming Wang, Yang Song, Shuai Zhang, Xin Zhang, Xiaoli Cai, Yuehe Lin, James J. De Yoreo y Chun-Long Chen, 14 de mayo de 2021, Science Advances.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1448
Otros autores de este estudio incluyen: James De Yoreo, Mingming Wang, Shuai Zhang y Xin Zhang de PNNL y Song Yang y Yuehe Lin de la Universidad Estatal de Washington. Shuai Zhang, James De Yoreo y Chun-Long Chen también están afiliados a la Universidad de Washington. Este trabajo fue apoyado por el programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. Como parte del Centro para la Ciencia de Síntesis a Traves de Escalas, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía ubicado en la Universidad de Washington.
