Молекулы POSS-пептоидов самоорганизуются в ромбовидные нанокристаллы. Кредит: Иллюстрация Стефани Кинг | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория
Вдохновленные природой, исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) вместе с сотрудниками из Университета штата Вашингтон создали новый материал, способный улавливать световую энергию. Этот материал представляет собой высокоэффективную систему сбора искусственного света с потенциальными приложениями в фотоэлектрической энергии и биоимиджинге.
Исследование обеспечивает основу для преодоления сложных проблем, связанных с созданием иерархических функциональных органических-неорганических гибридных материалов. Природа предоставляет прекрасные примеры иерархически структурированных гибридных материалов, таких как кости и зубы. Эти материалы обычно демонстрируют точное атомное расположение, которое позволяет им достигать многих исключительных свойств, таких как повышенная прочность и ударная вязкость.
Специалист по материалам PNNL Чун-Лонг Чен, автор-корреспондент этого исследования, и его сотрудники создали новый материал, который отражает структурную и функциональную сложность природных гибридных материалов. Этот материал сочетает в себе программируемость белковой синтетической молекулы со сложностью нанокластера на основе силиката для создания нового класса высокопрочных нанокристаллов. Затем они запрограммировали этот двухмерный гибридный материал для создания высокоэффективной системы искусственного сбора света.
«Солнце - самый важный источник энергии, который у нас есть», - сказал Чен. «Мы хотели посмотреть, сможем ли мы запрограммировать наши гибридные нанокристаллы на сбор световой энергии - так же, как это делают естественные растения и фотосинтезирующие бактерии, - при этом обеспечивая высокую надежность и технологичность, присущие синтетическим системам». Результаты этого исследования были опубликованы 14 мая 2021 г. в Наука развивается.
Материаловед Чун-Лонг Чен находит вдохновение в новых материалах в природных структурах. Кредит: Фото Андреа Старр | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория
Большие мечты, крошечные кристаллы
Хотя эти типы иерархически структурированных материалов исключительно сложно создать, многопрофильная группа ученых Чена объединила свои экспертные знания, чтобы синтезировать молекулу с заданной последовательностью, способную образовывать такую структуру. Исследователи создали измененную белковоподобную структуру, названную пептоидом, и прикрепили к одному ее концу точную структуру, похожую на клетку на основе силиката (сокращенно POSS). Затем они обнаружили, что при правильных условиях они могут заставить эти молекулы самоорганизоваться в кристаллы идеальной формы из двумерных нанолистов. Это создало еще один слой сложности, похожей на клеточную мембрану, подобную той, что наблюдается в естественных иерархических структурах, сохраняя при этом высокую стабильность и улучшенные механические свойства отдельных молекул.
«Как материалист, природа дает мне много вдохновения», — сказал Чен. «Всякий раз, когда я хочу спроектировать молекулу для чего-то конкретного, например, действовать как наркотик средство доставки, я почти всегда могу найти естественный пример для моделирования своих проектов».
POSS-пептоидные нанокристаллы образуют высокоэффективную светособирающую систему, которая поглощает возбуждающий свет и излучает флуоресцентный сигнал. Эта система может использоваться для визуализации живых клеток. Предоставлено: иллюстрации Чун-Лун Чена и Ян Сон | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория
Создание материалов, вдохновленных биологическими материалами
После того, как команда успешно создала эти POSS-пептоидные нанокристаллы и продемонстрировала их уникальные свойства, включая высокую программируемость, они приступили к использованию этих свойств. Они запрограммировали материал, чтобы включить специальные функциональные группы в определенных местах и межмолекулярных расстояниях. Поскольку эти нанокристаллы сочетают в себе силу и стабильность POSS с изменчивостью строительного блока пептоида, возможности программирования были безграничны.
Вновь обратившись к природе за вдохновением, ученые создали систему, которая может улавливать световую энергию во многом так же, как пигменты, содержащиеся в растениях. Они добавили пары специальных «донорных» молекул и каркасных структур, которые могли связывать «акцепторную» молекулу в определенных местах внутри нанокристалла. Молекулы-доноры поглощают свет определенной длины волны и передают энергию света молекулам-акцепторам. Молекулы акцептора излучают свет с другой длиной волны. Эта недавно созданная система показала эффективность передачи энергии более 96%, что сделало ее одной из самых эффективных водных светособирающих систем такого рода, о которых сообщалось до сих пор.
Демонстрация использования POSS-пептоидов для сбора урожая.
Чтобы продемонстрировать использование этой системы, исследователи затем вставили нанокристаллы в живые клетки человека в качестве биосовместимого зонда для визуализации живых клеток. Когда на клетки попадает свет определенного цвета и присутствуют акцепторные молекулы, клетки излучают свет другого цвета. При отсутствии акцепторных молекул изменения цвета не наблюдается. Хотя команда пока продемонстрировала только полезность этой системы для визуализации живых клеток, улучшенные свойства и высокая программируемость этого двухмерного гибридного материала заставляют их полагать, что это одно из многих приложений.
«Хотя это исследование все еще находится на начальной стадии, уникальные структурные особенности и высокая передача энергии 2D-нанокристаллов POSS-пептоидов имеют потенциал для применения во многих различных системах, от фотоэлектрических до фотокатализа», - сказал Чен. Он и его коллеги продолжат изучать возможности применения этого нового гибридного материала.
Ссылка: «Программируемые двумерные нанокристаллы, собранные из пептоидов, содержащих POSS, в качестве эффективных систем искусственного сбора света», авторы Минмин Ван, Ян Сун, Шуай Чжан, Синь Чжан, Сяоли Цай, Юэ Линь, Джеймс Дж. Де Йорео и Чун-Лонг. Чен, 14 мая 2021 г., Наука развивается.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1448
Среди других авторов этого исследования: Джеймс Де Йорео, Минмин Ван, Шуай Чжан и Синь Чжан из PNNL, а также Сун Ян и Юэ Лин из Университета штата Вашингтон. Шуай Чжан, Джеймс Де Йорео и Чун-Лонг Чен также являются членами Вашингтонского университета. Эта работа была поддержана программой Министерства энергетики США по фундаментальным энергетическим наукам в рамках Центра науки о синтезе в разных масштабах, исследовательского центра Energy Frontier, расположенного в Вашингтонском университете.
