POSS-пептоїдні молекули самозбираються в нанокристали ромбовидної форми. Авторство: Ілюстрація Стефані Кінг | Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія
Натхнені природою, дослідники Тихоокеанського північно-західної національної лабораторії (PNNL) разом із співробітниками з Університету штату Вашингтон створили новий матеріал, здатний уловлювати світлову енергію. Цей матеріал забезпечує високоефективну систему штучного збору світла з потенційним застосуванням у фотовольтаїці та біовізуалізації.
Дослідження створює основу для подолання складних завдань, пов’язаних зі створенням ієрархічних функціональних органо-неорганічних гібридних матеріалів. Природа дає чудові приклади ієрархічно структурованих гібридних матеріалів, таких як кістки та зуби. Ці матеріали зазвичай демонструють точне розташування атомів, що дозволяє їм досягати багатьох виняткових властивостей, таких як підвищена міцність і міцність.
Матеріалознавець PNNL Чун-Лонг Чен, відповідний автор цього дослідження, та його співробітники створили новий матеріал, який відображає структурну та функціональну складність природних гібридних матеріалів. Цей матеріал поєднує програмованість білкової синтетичної молекули зі складністю нанокластерів на основі силікатів, щоб створити новий клас високоміцних нанокристалів. Потім вони запрограмували цей 2D гібридний матеріал для створення високоефективної системи штучного збору світла.
«Сонце — це найважливіше джерело енергії, яке у нас є», — сказав Чен. «Ми хотіли перевірити, чи зможемо ми запрограмувати наші гібридні нанокристали для збору світлової енергії — так само, як це можуть робити природні рослини та фотосинтезуючі бактерії — при досягненні високої міцності та переробленості, які спостерігаються в синтетичних системах». Результати цього дослідження були опубліковані 14 травня 2021 р Наука розвивається.
Вчений-матеріаліст Чун-Лонг Чен знаходить натхнення для нових матеріалів у природних структурах. Авторство: Фото Андреа Старр | Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія
Великі мрії, крихітні кристали
Хоча ці типи ієрархічно структурованих матеріалів надзвичайно важко створити, багатодисциплінарна команда вчених Чена об’єднала свої експертні знання, щоб синтезувати визначену послідовність молекулу, здатну утворити таку структуру. Дослідники створили змінену структуру, подібну до білка, яка називається пептоїдом, і прикріпили точну клітинну структуру на основі силікатів (скорочено POSS) до одного її кінця. Потім вони виявили, що за належних умов вони можуть спонукати ці молекули до самозбірки в кристали 2D нанопластів ідеальної форми. Це створило ще один шар складності, схожої на клітинну мембрану, подібну до того, що спостерігається в природних ієрархічних структурах, зберігаючи високу стабільність та покращені механічні властивості окремих молекул.
«Як матеріалознавця природа дає мені багато натхнення», — сказав Чень. «Кожного разу, коли я хочу спроектувати молекулу, щоб робити щось конкретне, наприклад, виконувати роль наркотик транспортний засіб для доставки, я майже завжди можу знайти природний приклад для моделювання моїх дизайнів».
POSS-пептоїдні нанокристали утворюють високоефективну систему збирання світла, яка поглинає хвилююче світло і випромінює флуоресцентний сигнал. Цю систему можна використовувати для візуалізації живих клітин. Авторство: Ілюстрація Чун-Лонга Чена та Ян Сон | Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія
Проектування матеріалів, натхнених біотехнологією
Після того, як команда успішно створила ці POSS-пептоїдні нанокристали та продемонструвала їх унікальні властивості, включаючи високу програмованість, вони почали використовувати ці властивості. Вони запрограмували матеріал на включення спеціальних функціональних груп у певних місцях і міжмолекулярних відстанях. Оскільки ці нанокристали поєднують міцність і стабільність POSS з мінливістю пептоїдного будівельного блоку, можливості програмування були безмежними.
Знову шукаючи натхнення в природі, вчені створили систему, яка могла вловлювати світлову енергію так само, як пігменти, знайдені в рослинах. Вони додали пари спеціальних «донорних» молекул і клітинних структур, які могли б зв’язати «акцепторну» молекулу в точних місцях всередині нанокристала. Молекули-донори поглинають світло певної довжини хвилі і передають світлову енергію акцепторним молекулам. Потім акцепторні молекули випромінюють світло з іншою довжиною хвилі. Ця нещодавно створена система продемонструвала ефективність передачі енергії понад 96%, що робить її однією з найефективніших водних систем збирання світла у своєму роді.
Демонстрація використання POSS-пептоїдів для легкого збирання
Щоб продемонструвати використання цієї системи, дослідники потім вставили нанокристали в живі людські клітини як біосумісний зонд для візуалізації живих клітин. Коли на клітини потрапляє світло певного кольору і присутні акцепторні молекули, клітини випромінюють світло іншого кольору. При відсутності акцепторних молекул зміна кольору не спостерігається. Хоча поки що команда лише продемонструвала корисність цієї системи для візуалізації живих клітин, покращені властивості та висока програмованість цього 2D гібридного матеріалу змушують їх вважати, що це одне з багатьох застосувань.
«Хоча це дослідження все ще знаходиться на ранніх стадіях, унікальні структурні особливості та висока передача енергії POSS-пептоїдних 2D нанокристалів мають потенціал для застосування до багатьох різних систем, від фотовольтаїки до фотокаталізу», – сказав Чен. Він та його колеги продовжуватимуть досліджувати шляхи застосування цього нового гібридного матеріалу.
Довідка: «Програмовані двовимірні нанокристали, зібрані з пептоїдів, що містять POSS, як ефективні системи штучного збирання світла» від Мінмін Ван, Ян Сон, Шуай Чжан, Сінь Чжан, Сяолі Цай, Юехе Лін, Джеймс Дж. Де Йорео та Чун-Лонг Чен, 14 травня 2021 р., Наука розвивається.
DOI: 10.1126/sciadv.abg1448
Серед інших авторів цього дослідження: Джеймс Де Йорео, Мінмін Ван, Шуай Чжан і Сінь Чжан з PNNL і Сун Ян і Юехе Лін з Університету штату Вашингтон. Шуай Чжан, Джеймс Де Йорео та Чун-Лонг Чен також пов’язані з Вашингтонським університетом. Ця робота була підтримана програмою Департаменту енергетики США з базових енергетичних наук як частина Центру науки синтезу в різних масштабах, дослідницького центру Energy Frontier, розташованого у Вашингтонському університеті.
