Het ontwerp van geavanceerde nieuwe materialen ondergaat stevige technologische vooruitgang. Innovaties in materiaalwetenschap beloven transformatieve verbeteringen in industrieën variërend van energie tot productie.

In een nieuwe studie, onderzoekers van ASU's Biodesign Institute en hun collega's verkennen nieuwe materialen met fysieke eigenschappen die op maat kunnen worden aangepast aan specifieke behoeften. Het werk is geïnspireerd op mechanismen in de natuur, waar de complexe driedimensionale structuur van omringende eiwitten de elektrochemische eigenschappen van metalen in hun kern beïnvloedt.

De vooruitgang zou brede implicaties kunnen hebben voor het ontwerp van veel nieuwe innovaties die nuttig zijn voor halfgeleidertechnologie, duurzame energie en industriële productie.

Materiele wereld

Hoofdauteur Brian Wadsworth en zijn medewerkers beschrijven technieken voor het immobiliseren van metaalcomplexen op fysieke dragers die zowel transparant als geleidend zijn. De resulterende hybride materialen maken synthetische controle over de configuratie mogelijk, waardoor onderzoekers het pendelen van elektronen in het composietmateriaal kunnen reguleren.

Nauwkeurige controle over de materiaalprestaties kan worden bereikt door wijziging van materiaalinterfaces. Volgens de corresponderende auteur Gary Moore, "Elke keer als twee dingen elkaar raken, ze vormen een interface. Materiaalinterfaces staan ​​centraal in ons werk." In deze regio's vinden aanpassingen plaats die zijn ontworpen om de fysieke eigenschappen van een materiaal aan te passen.

De huidige studie breidt de eerdere inspanningen van de groep uit met halfgeleidermaterialen, waarbij zonne-energie werd opgevangen en omgezet om brandstoffen te produceren. Om dit te bereiken, is het vermogen nodig om reacties en chemische entiteiten te beheersen die hun snelheid verhogen, bekend als katalysatoren. "Ons gebruik van moleculen op oppervlakken kan een breed scala aan toepassingen hebben, inclusief conversie van zonne-energie, katalyse, en chemische productie via groene chemie, ' zegt Moor.

Naast Wadsworth en Moore, beide onderzoekers in het Biodesign Center for Applied Structural Discovery, het team bestaat uit Diana Khusnutdinova en Jennifer M. Urbine, (voorheen bij het Biodesign Institute en momenteel bij Intel en het doctoraatsprogramma aan UC Irvine, respectievelijk). Ahlea S. Reyes, die begon te werken in het Moore-lab als middelbare scholier en momenteel een student is aan de ASU, ook bijgedragen aan de nieuwe studie.

Het onderzoek siert de omslag van het laatste nummer van het tijdschrift ACS Toegepaste Materialen &Interfaces .

Controle Centrum

Katalysatoren spelen een cruciale rol in processen waarbij energie wordt omgezet en zijn belangrijk in zowel biologie als technologie. De huidige studie levert waardevolle informatie op die kan leiden tot verbeteringen in efficiëntie, betrouwbaarheid en schaalbaarheid van duurzame energieoplossingen. De toenemende energiecrisis zet de inspanningen om de elektrochemie van nieuwe materialen beter te begrijpen in een stroomversnelling en opent verreikende mogelijkheden voor nieuwe technologieën.

Conventionele katalysatoren zoals die in de industrie worden gebruikt, zijn meestal gebaseerd op tweedimensionale oppervlakken. Hier, reactanten worden samengebracht om een ​​gewenst product te produceren. Katalysatoren versnellen de snelheid van dergelijke reacties. Een van de meest elementaire transformaties is waterstofproductie, waar elektronen en protonen worden samengebracht om moleculaire waterstof te vormen. In dit geval, platina wordt vaak gebruikt als katalysator.

Natuur, echter, heeft een goedkopere en efficiëntere manier gevonden om waterstof te produceren. "Biologie gebruikt geen tweedimensionale platen van platina, " legt Moore uit. In plaats daarvan, levensvormen voeren deze transformatie uit met behulp van gespecialiseerde enzymen. "Enzymen bevatten vaak metaalcentra waar de reactiviteit plaatsvindt, maar hun specificiteit komt van hun unieke driedimensionale structuren."

Hun unieke benadering resulteert in materialen die zijn geïnspireerd op dergelijke driedimensionale architecturen om reacties te sturen die meerdere substraten samenbrengen - stoffen waarop katalysatoren werken. Het creëren van driedimensionale omgevingen van zachte materie, vergelijkbaar met die in eiwitten, stelt onderzoekers in staat om fijnkorrelige controle van deze reacties in zowel ruimte als tijd toe te passen.

"Brian heeft een aanpak uitgewerkt om relatief dunne moleculaire coatings te bevestigen, inclusief polymeren, op een elektrodeoppervlak, ", zegt Moore. "Nu hebben deze elektrode-oppervlakken een driedimensionale moleculaire omgeving, waar we doelbewust een metaalcentrum kunnen deponeren." Deze metaalcentra zijn de plaatsen van zogenaamde reductie-oxidatie of redoxreacties, waar elektronen worden gewonnen of verloren.

Metaalmoeheid overwinnen

De methode helpt een van de belangrijkste beperkende factoren bij het ontwerpen van effectieve katalysatoren te overwinnen. Conventionele katalysatoren gebruiken doorgaans zeldzame aardmetalen zoals platina, die, zoals hun naam al aangeeft, zijn schaars en zeer kostbaar. In plaats daarvan, door een driedimensionaal hybride materiaal te creëren dat bestaat uit structureel goed gedefinieerde homogene componenten die zijn gehecht aan een heterogene draagstructuur, het synthetische materiaal kan worden gemaakt met veel goedkopere en meer aardrijke metalen zoals kobalt (gebruikt in de huidige studie). De auteurs benadrukken dat deze innovaties niet alleen de kosten van nieuwe materialen kunnen verlagen, maar ook hun efficiëntie en stabiliteit kunnen verbeteren. "Opnieuw, dat is het bio-geïnspireerde deel van onze visie voor het ontwikkelen van deze moleculaire coatings, ' zegt Moor.

Om het nieuwe materiaal te ontwerpen, Wadsworth maakt gebruik van enkele van de geavanceerde chemische verbindingen die zijn ontwikkeld in eerder werk aan lichtverzamelende halfgeleiders. Experimenten die in het nieuwe artikel worden beschreven, onderzoeken de effecten van het toepassen van deze chemicaliën op de oppervlakken van geleidende materialen. Dit stelt de onderzoekers in staat om de elektrochemische eigenschappen van de ingebedde metaalcentra direct te onderzoeken. "We krijgen mechanistische informatie over hoe het zachte materiaal of de eiwitachtige omgevingen de chemie regelen die plaatsvindt in het metaalcentrum, ', zegt Wadsworth.

Zodra de metaalbevattende complexen aan het elektrodeoppervlak zijn gebonden, de omringende moleculaire omgeving kan subtiel worden gewijzigd om de redoxreacties te veranderen. "Elke chemische transformatie brengt veranderingen in structuur en energie met zich mee die geassocieerd zijn met een chemisch potentieel, ", zegt Moore. "De coatings die in dit werk worden beschreven, stellen de aan het oppervlak geïmmobiliseerde metaalcentra in staat om te werken over een relatief groot aantal mogelijkheden voor toepassingen in een reeks chemische processen en opkomende technologieën."

Onderzoek katalyseren

Sommige van deze nieuwe ideeën werden onlangs besproken op de Winter Inter-American Photochemical Society (I-APS) Conference, die plaatsvond in Sarasota, Florida, 2-5 januari 2020. De levendige conferentie werd mede georganiseerd door Moore en zijn collega Elizabeth Young van Lehigh University en bracht vooraanstaande wetenschappers samen op alle gebieden van de fotochemische wetenschappen, uit Noord- en Zuid-Amerika.

Op de vergadering, Wadsworth presenteerde een poster met de titel "Bridging Concepts between Heterogene-, Homogeen-, and Bio-Catalysis to Model Photoelectrosynthetic Reactions" en ontving een prijs ondersteund door het tijdschrift ACS Toegepaste Materialen &Interfaces , (hetzelfde tijdschrift met het huidige onderzoeksverslag).

De onderzoekers geloven dat een van de sterke punten van bio-geïnspireerde en moleculaire strategieën de diversiteit in structuur en functie is die deze benadering mogelijk maakt. "Diversiteit zorgt voor meer creativiteit en bevordert innovatie. Dit idee wordt niet alleen benut in de materialen die we bouwen, maar ook in het team van onderzoekers die de voortdurende evolutie van onze wetenschap begeleiden, ", zegt Moore. "Het huidige werk bevat bijdragen van de middelbare school, niet-gegradueerde, afstuderen, en postdoctorale studenten van over de hele wereld."