Автор AZoNano 17 мая 2021 года

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 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 одновременном достижении высокой прочности и технологичности, наблюдаемых в синтетических системах». Результаты исследования это исследование было опубликовано 14 мая 2021 г. в Science Advances .

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 клеткообразную структуру 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, подобной клеточной мембране, подобной той, что наблюдается в естественных иерархических структурах, при сохранении высокой стабильности и улучшенных механических свойств отдельных молекул.

«Как материаловеду природа дает мне много вдохновения» – сказал Чен. «Всякий раз, когда я хочу сконструировать молекулу, которая будет выполнять что-то конкретное, например действовать как средство доставки лекарств, я почти всегда могу найти естественный пример, чтобы смоделировать свои конструкции»

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 могла улавливать световую энергию во многом так же, как пигменты, содержащиеся в растениях. Они добавили пары специальных «донорных» молекул и каркасных структур, которые могли бы 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 на данный момент

.

Демонстрация использования POSS-пептоидов для сбора света

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 изменение 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 POSS-пептоидных 2D нанокристаллов имеют потенциал для применения во многих различных системах, от фотовольтаики до фотокатализа» сказал Чен. Он и его коллеги будут продолжать изучать возможности применения этого нового гибридного материала.

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.

Источник: https://www.pnnl.gov/