Le molecole POSS-peptoidi si autoassemblano in nanocristalli a forma romboidale. Credito: Illustrazione di Stephanie King | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale
Ispirati dalla natura, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), insieme ai collaboratori della Washington State University, hanno creato un nuovo materiale in grado di catturare l'energia luminosa. Questo materiale fornisce un sistema di raccolta della luce artificiale altamente efficiente con potenziali applicazioni nel fotovoltaico e nel bioimaging.
La ricerca fornisce una base per superare le difficili sfide implicate nella creazione di materiali ibridi organici-inorganici funzionali gerarchici. La natura fornisce splendidi esempi di materiali ibridi strutturati gerarchicamente come ossa e denti. Questi materiali mostrano tipicamente una precisa disposizione atomica che consente loro di ottenere molte proprietà eccezionali, come una maggiore resistenza e tenacità.
Lo scienziato dei materiali PNNL Chun-Long Chen, autore corrispondente di questo studio, ei suoi collaboratori hanno creato un nuovo materiale che riflette la complessità strutturale e funzionale dei materiali ibridi naturali. Questo materiale combina la programmabilità di una molecola sintetica simile a una proteina con la complessità di un nanocluster a base di silicato per creare una nuova classe di nanocristalli altamente robusti. Hanno quindi programmato questo materiale ibrido 2D per creare un sistema di raccolta della luce artificiale altamente efficiente.
"Il sole è la fonte di energia più importante che abbiamo", ha detto Chen. "Volevamo vedere se potevamo programmare i nostri nanocristalli ibridi per raccogliere l'energia luminosa, proprio come possono fare le piante naturali e i batteri fotosintetici, ottenendo al contempo un'elevata robustezza e processabilità viste nei sistemi sintetici". I risultati di questo studio sono stati pubblicati il 14 maggio 2021, in Anticipi Scienza.
Lo scienziato dei materiali Chun-Long Chen trova ispirazione per nuovi materiali nelle strutture naturali. Credito: Foto di Andrea Starr | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale
Grandi sogni, minuscoli cristalli
Sebbene questi tipi di materiali strutturati gerarchicamente siano eccezionalmente difficili da creare, il team multidisciplinare di scienziati di Chen ha unito le loro conoscenze specialistiche per sintetizzare una molecola definita in sequenza in grado di formare una tale disposizione. I ricercatori hanno creato una struttura simile a una proteina alterata, chiamata peptoide, e hanno collegato una precisa struttura simile a una gabbia a base di silicati (POSS abbreviato) a un'estremità di essa. Hanno quindi scoperto che, nelle giuste condizioni, potevano indurre queste molecole ad autoassemblarsi in cristalli dalla forma perfetta di nanofogli 2D. Ciò ha creato un altro strato di complessità simile a una membrana cellulare simile a quella vista nelle strutture gerarchiche naturali pur mantenendo l'elevata stabilità e le proprietà meccaniche avanzate delle singole molecole.
"Come scienziato dei materiali, la natura mi fornisce molta ispirazione", ha detto Chen. “Ogni volta che voglio progettare una molecola per fare qualcosa di specifico, come agire come a droga veicolo per le consegne, riesco quasi sempre a trovare un esempio naturale su cui modellare i miei progetti”.
I nanocristalli POSS-peptoidi formano un sistema di raccolta della luce altamente efficiente che assorbe la luce eccitante ed emette un segnale fluorescente. Questo sistema può essere utilizzato per l'imaging di cellule vive. Credito: Illustrazione di Chun-Long Chen e Yang Song | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale
Progettare materiali bio-ispirati
Una volta che il team ha creato con successo questi nanocristalli POSS-peptoidi e ha dimostrato le loro proprietà uniche, inclusa l'alta programmabilità, ha deciso di sfruttare queste proprietà. Hanno programmato il materiale per includere gruppi funzionali speciali in posizioni specifiche e distanze intermolecolari. Poiché questi nanocristalli combinano la forza e la stabilità del POSS con la variabilità del blocco peptoide, le possibilità di programmazione erano infinite.
Ancora una volta guardando alla natura per trovare ispirazione, gli scienziati hanno creato un sistema in grado di catturare l'energia della luce molto nel modo in cui fanno i pigmenti trovati nelle piante. Hanno aggiunto coppie di speciali molecole "donatrici" e strutture simili a gabbia che potrebbero legare una molecola "accettore" in punti precisi all'interno del nanocristallo. Le molecole donatrici assorbono la luce a una lunghezza d'onda specifica e trasferiscono l'energia luminosa alle molecole accettrici. Le molecole accettrici emettono quindi luce a una lunghezza d'onda diversa. Questo sistema di nuova creazione ha mostrato un'efficienza di trasferimento di energia superiore al 96%, rendendolo uno dei sistemi di raccolta della luce acquosa più efficienti del suo genere finora segnalati.
Dimostrazione degli usi dei POSS-peptoidi per la raccolta leggera
Per mostrare l'uso di questo sistema, i ricercatori hanno quindi inserito i nanocristalli in cellule umane vive come sonda biocompatibile per l'imaging di cellule vive. Quando la luce di un certo colore brilla sulle cellule e sono presenti le molecole accettrici, le cellule emettono una luce di un colore diverso. Quando le molecole accettori sono assenti, il cambiamento di colore non viene osservato. Sebbene il team abbia dimostrato finora l'utilità di questo sistema per l'imaging di cellule vive, le proprietà migliorate e l'elevata programmabilità di questo materiale ibrido 2D li portano a credere che questa sia una delle tante applicazioni.
"Sebbene questa ricerca sia ancora nelle sue fasi iniziali, le caratteristiche strutturali uniche e l'elevato trasferimento di energia dei nanocristalli 2D POSS-peptoidi hanno il potenziale per essere applicati a molti sistemi diversi, dal fotovoltaico alla fotocatalisi", ha detto Chen. Lui ei suoi colleghi continueranno a esplorare strade per l'applicazione di questo nuovo materiale ibrido.
Riferimento: "Nanocristalli bidimensionali programmabili assemblati da peptoidi contenenti POSS come efficienti sistemi artificiali di raccolta della luce" di Mingming Wang, Yang Song, Shuai Zhang, Xin Zhang, Xiaoli Cai, Yuehe Lin, James J. De Yoreo e Chun-Long Chen, 14 maggio 2021, Anticipi Scienza.
DOI: 10.1126/sciadv.abg1448
Altri autori di questo studio includono: James De Yoreo, Mingming Wang, Shuai Zhang e Xin Zhang del PNNL e Song Yang e Yuehe Lin della Washington State University. Anche Shuai Zhang, James De Yoreo e Chun-Long Chen sono affiliati all'Università di Washington. Questo lavoro è stato sostenuto dal programma di scienze energetiche di base del Dipartimento di energia degli Stati Uniti nell'ambito del Center for the Science of Synthesis Across Scales, un centro di ricerca sulla frontiera dell'energia situato presso l'Università di Washington.
