A POSS-peptoid molekulák önmagukban rombusz alakú nanokristályokká állnak össze. Credit: Illusztráció: Stephanie King | Pacific Northwest National Laboratory
A természet ihletésére a Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) kutatói a Washingtoni Állami Egyetem munkatársaival együtt olyan újszerű anyagot készítettek, amely képes megragadni a fényenergiát. Ez az anyag rendkívül hatékony mesterséges fénygyűjtő rendszert biztosít, amely potenciálisan alkalmazható a fotovoltaikában és a bioképalkotásban.
A kutatás alapot ad a hierarchikus funkcionális szerves-szervetlen hibrid anyagok létrehozásával járó nehéz kihívások leküzdésére. A természet gyönyörű példákat kínál hierarchikusan felépített hibrid anyagokra, például csontokra és fogakra. Ezek az anyagok jellemzően precíz atomi elrendezést mutatnak, amely lehetővé teszi számos kivételes tulajdonság elérését, mint például a megnövekedett szilárdság és szívósság.
A PNNL anyagtudósa, Chun-Long Chen, a tanulmány megfelelő szerzője és munkatársai olyan új anyagot hoztak létre, amely tükrözi a természetes hibrid anyagok szerkezeti és funkcionális összetettségét. Ez az anyag egyesíti a fehérjeszerű szintetikus molekulák programozhatóságát egy szilikát alapú nanoklaszter összetettségével, hogy a rendkívül robusztus nanokristályok új osztályát hozza létre. Ezután programozták ezt a 2D hibrid anyagot, hogy létrehozzanak egy rendkívül hatékony mesterséges fénygyűjtő rendszert.
„A nap a legfontosabb energiaforrásunk” – mondta Chen. „Azt akartuk látni, hogy be tudjuk-e programozni hibrid nanokristályainkat, hogy fényenergiát gyűjtsenek be – hasonlóan a természetes növényekhez és a fotoszintetikus baktériumokhoz –, miközben a szintetikus rendszerekben tapasztalható nagy robusztusságot és feldolgozhatóságot érünk el.” A tanulmány eredményeit 14. május 2021-én tették közzé Tudomány előlegek.
Chun-Long Chen anyagkutató a természetes struktúrákban talál ihletet új anyagokhoz. Köszönet: Fotó: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Nagy álmok, apró kristályok
Bár az ilyen típusú hierarchikus szerkezetű anyagokat rendkívül nehéz létrehozni, Chen multidiszciplináris tudóscsoportja egyesítette szakértői tudását, hogy szintetizáljon egy szekvencia által meghatározott molekulát, amely képes ilyen elrendezés kialakítására. A kutatók egy megváltozott fehérjeszerű szerkezetet hoztak létre, amelyet peptoidnak neveznek, és ennek egyik végéhez egy precíz szilikát alapú ketrecszerű szerkezetet (rövidítve POSS) csatoltak. Aztán rájöttek, hogy megfelelő körülmények között képesek ezeknek a molekuláknak a tökéletes formájú, 2D nanolapok kristályaivá történő önszeparálására késztetni. Ez a természetes hierarchikus struktúrákhoz hasonló sejtmembránszerű komplexitás újabb rétegét hozta létre, miközben megőrizte az egyes molekulák magas stabilitását és fokozott mechanikai tulajdonságait.
„Anyagtudósként a természet rengeteg inspirációt ad nekem” – mondta Chen. „Valahányszor meg akarok tervezni egy molekulát valami konkrét feladat elvégzésére, például a gyógyszer szállítójármű, szinte mindig találok természetes példát a terveim mintájára.”
A POSS-peptoid nanokristályok rendkívül hatékony fénygyűjtő rendszert alkotnak, amely elnyeli az izgalmas fényt és fluoreszcens jelet bocsát ki. Ez a rendszer élő sejt képalkotásra használható. Köszönet: Illusztráció: Chun-Long Chen és Yang Song | Pacific Northwest National Laboratory
Biológiai ihletésű anyagok tervezése
Miután a csapat sikeresen létrehozta ezeket a POSS-peptoid nanokristályokat, és bemutatta egyedi tulajdonságaikat, beleértve a kiváló programozhatóságot is, elkezdték kiaknázni ezeket a tulajdonságokat. Úgy programozták az anyagot, hogy meghatározott helyeken és molekulák közötti távolságokban speciális funkcionális csoportokat tartalmazzon. Mivel ezek a nanokristályok egyesítik a POSS szilárdságát és stabilitását a peptoid építőelem változékonyságával, a programozási lehetőségek végtelenek voltak.
Ismét a természetet keresve a tudósok olyan rendszert hoztak létre, amely a növényekben található pigmentekhez hasonlóan képes megragadni a fényenergiát. Speciális „donor” molekula-párokat és ketrecszerű struktúrákat adtak hozzá, amelyek képesek egy „akceptor” molekulát megkötni a nanokristályon belüli pontos helyeken. A donormolekulák meghatározott hullámhosszon abszorbeálják a fényt, és a fényenergiát átadják az akceptor molekuláknak. Az akceptor molekulák ezután eltérő hullámhosszon bocsátanak ki fényt. Ez az újonnan létrehozott rendszer több mint 96%-os energiaátviteli hatékonyságot mutatott, így ez az egyik leghatékonyabb vizes fénygyűjtő rendszer, amely a maga nemében eddig jelentett.
A POSS-peptoidok könnyű betakarításhoz való felhasználásának bemutatása
A rendszer használatának bemutatására a kutatók ezután a nanokristályokat élő emberi sejtekbe illesztették biokompatibilis szondaként az élő sejtes képalkotáshoz. Ha bizonyos színű fény világít a sejtekre, és jelen vannak az akceptor molekulák, a sejtek más színű fényt bocsátanak ki. Ha az akceptor molekulák hiányoznak, a színváltozás nem figyelhető meg. Bár a csapat ez idáig csak a rendszer hasznosságát bizonyította élő sejtes képalkotáshoz, ennek a 2D hibrid anyagnak a továbbfejlesztett tulajdonságai és nagyfokú programozhatósága arra készteti őket, hogy elhiggyék, ez az egyik alkalmazás a sok közül.
"Bár ez a kutatás még csak a kezdeti szakaszban van, a POSS-peptoid 2D nanokristályok egyedi szerkezeti jellemzői és nagy energiaátadása számos különféle rendszerben alkalmazható, a fotovoltaikától a fotokatalízisig" - mondta Chen. Kollégáival továbbra is kutatják ennek az új hibrid anyagnak az alkalmazási lehetőségeit.
Hivatkozás: „Programozható kétdimenziós nanokristályok, amelyeket POSS-tartalmú peptoidokból állítanak össze hatékony mesterséges fénygyűjtő rendszerekként”, Mingming Wang, Yang Song, Shuai Zhang, Xin Zhang, Xiaoli Cai, Yuehe Lin, James J. De Yoreo és Chun-Long Chen, 14. május 2021. Tudomány előlegek.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1448
A tanulmány további szerzői: James De Yoreo, Mingming Wang, Shuai Zhang és Xin Zhang a PNNL-től, valamint Song Yang és Yuehe Lin a Washingtoni Állami Egyetemtől. Shuai Zhang, James De Yoreo és Chun-Long Chen szintén kapcsolatban állnak a Washingtoni Egyetemmel. Ezt a munkát az Egyesült Államok Energiaügyi Alapvető Energiatudományi Minisztériuma programja támogatta, a Center for the Science of Synthesis Across Scales részeként, amely a Washingtoni Egyetemen található Energy Frontier Research Center.
