Synthese einer neuen Klasse von bioinspirierten, lichteinfangenden Nanomaterialien

Inspiriert von der Natur haben Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) zusammen mit Mitarbeitern der Washington State University ein neues Material entwickelt, das Lichtenergie einfangen kann. Dieses Material bietet ein hocheffizientes System zur Erfassung künstlichen Lichts mit potenziellen Anwendungen in Photovoltaikzellen und im Bioimaging.

Die Forschung bietet eine Grundlage für die Überwindung der schwierigen Herausforderungen bei der Schaffung hierarchischer funktioneller organisch-anorganischer Hybridmaterialien. Die Natur bietet schöne Beispiele für hierarchisch strukturierte Hybridmaterialien wie Knochen und Zähne. Diese Materialien weisen typischerweise eine präzise atomare Anordnung auf, die es ihnen ermöglicht, viele außergewöhnliche Eigenschaften wie erhöhte Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen.

Der PNNL-Materialwissenschaftler Chun-Long Chen, korrespondierender Autor dieser Studie, und seine Mitarbeiter haben ein neues Material entwickelt, das die strukturelle und funktionelle Komplexität natürlicher Hybridmaterialien widerspiegelt. Dieses Material kombiniert die Programmierbarkeit eines proteinhaltigen synthetischen Moleküls mit der Komplexität eines Nanoclusters auf Silikatbasis, um eine neue Klasse hoch robuster Nanokristalle zu schaffen. Anschließend programmierten sie dieses 2D-Hybridmaterial, um ein hocheffizientes künstliches Material zu erstellen LichtErntesystem.

„Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle, die wir haben“, sagte Chen. „Wir wollten sehen, ob wir unsere hybriden Nanokristalle für die Ernte programmieren können Lichtenergie– Wie es natürliche Pflanzen und photosynthetische Bakterien können – und gleichzeitig die hohe Robustheit und Verarbeitbarkeit erreichen, die in synthetischen Systemen zu sehen ist. Die Ergebnisse dieser Studie wurden am 14. Mai 2021 in veröffentlicht Fortschritte in der Wissenschaft.

Große Träume, kleine Kristalle

Während diese Arten von hierarchisch strukturierten Materialien äußerst schwierig herzustellen sind, kombinierte Chens multidisziplinäres Wissenschaftlerteam sein Expertenwissen, um ein sequenzdefiniertes Molekül zu synthetisieren, das eine solche Anordnung bilden kann. Die Forscher schufen eine veränderte proteinartige Struktur, die als Peptoid bezeichnet wird, und befestigten eine präzise käfigartige Struktur auf Silikatbasis (kurz POSS) an einem Ende. Sie entdeckten dann, dass sie diese unter den richtigen Bedingungen verursachen könnten Moleküle sich zu perfekt geformten Kristallen aus 2D-Nanoblättern zusammenzusetzen. Dies erzeugte eine neue Schicht von zellmembranähnlicher Komplexität, die der in natürlichen hierarchischen Strukturen ähnelt, während die hohe Stabilität und die verbesserten mechanischen Eigenschaften der einzelnen Moleküle beibehalten wurden.

„Als Materialwissenschaftler inspiriert mich die Natur sehr“, sagt Chen. „Wann immer ich ein Molekül entwerfen möchte, um etwas Bestimmtes zu tun, beispielsweise als Vehikel für die Arzneimittelabgabe, kann ich fast immer ein natürliches Beispiel finden, an dem ich meine Designs modellieren kann.“

Entwerfen Sie bioinspirierte Materialien

Nachdem das Team diese POSS-Peptoid-Nanokristalle erfolgreich hergestellt und ihre einzigartigen Eigenschaften, einschließlich der hohen Programmierbarkeit, demonstriert hatte, machten sie sich daran, diese Eigenschaften zu nutzen. Sie programmierten das Material mit speziellen funktionellen Gruppen an bestimmten Stellen und intermolekularen Abständen. Da diese Nanokristalle die Stärke und Stabilität von POSS mit der Variabilität des Peptoidbausteins kombinieren, waren die Programmiermöglichkeiten endlos.

Auf der Suche nach Inspiration für die Natur entwickelten die Wissenschaftler ein System, das Lichtenergie auf die gleiche Weise wie Pigmente in Pflanzen einfangen kann. Sie fügten Paare spezieller „Donormoleküle“ und käfigartiger Strukturen hinzu, die ein „Akzeptormolekül“ an präzisen Stellen im Nanokristall binden könnten. Die Donormoleküle absorbieren Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und übertragen die Lichtenergie auf die Akzeptormoleküle. Die Akzeptormoleküle emittieren dann Licht mit einer anderen Wellenlänge. Dieses neu geschaffene System wies eine Energieübertragungseffizienz von über 96% auf und ist damit eines der effizientesten wässrigen Lichtsammelsysteme seiner Art bis heute.

Demonstration der Verwendung von POSS-Peptoiden zur Lichternte

Um die Verwendung dieses Systems zu demonstrieren, setzten die Forscher die Nanokristalle in lebende menschliche Zellen als biokompatible Sonde für die Bildgebung lebender Zellen ein. Wenn Licht einer bestimmten Farbe auf die Zellen scheint und die Akzeptormoleküle vorhanden sind, emittieren die Zellen ein Licht einer anderen Farbe. Fehlen die Akzeptormoleküle, wird die Farbänderung nicht beobachtet. Während das Team bisher nur die Nützlichkeit dieses Bildgebungssystems für lebende Zellen demonstriert hat, glauben die verbesserten Eigenschaften und die hohe Programmierbarkeit dieses 2D-Hybridmaterials, dass dies eine von vielen Anwendungen ist.

„Während diese Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, können die einzigartigen Strukturmerkmale und der hohe Energietransfer von POSS-Peptoid-2D-Nanokristallen auf viele verschiedene Systeme angewendet werden, von der Photovoltaik bis zur Photokatalyse“, sagte Chen. Er und seine Kollegen werden weiterhin nach Möglichkeiten für die Anwendung dieses neuen Hybridmaterials suchen.